OBE理念下數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)改革與實踐

孫敏 金印彬 寧改娣

摘要：文章基于OBE理念，以工程教育認證為背景，針對數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)中存在的問題進行了一系列改革。以學(xué)生具備數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計能力為目標，將相互獨立的驗證性實驗內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)橐皂椖吭O(shè)計為導(dǎo)向、項目組成模塊為基礎(chǔ)的設(shè)計性實驗內(nèi)容，并將數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計思想和方法融入每次實驗，由淺入深地使學(xué)生逐步掌握數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計流程和方法，最終具備扎實的硬件描述能力和綜合設(shè)計能力。實踐證明，數(shù)字電子技術(shù)實驗改革極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，鍛煉了學(xué)生的工程實踐能力，使學(xué)生具備了一定的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞：OBE;數(shù)字電子技術(shù)實驗;實驗教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：B? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）02-0041-03

一、背景

成果導(dǎo)向教育（Outcome-Based Education，簡稱OBE），源于20世紀90年代的北美地區(qū)[1][2]。在美國等一些發(fā)達國家已有多年的理論與實踐探索，至今已形成了一套比較完整的理論體系和實施模式，而且已證明是高等工程教育改革的正確方向[3]。OBE理念要求教師清楚學(xué)生畢業(yè)時應(yīng)達到什么樣的結(jié)果，然后尋找并設(shè)計適宜且有效的方法使他們達到這些結(jié)果[4]。OBE理念從傳統(tǒng)的“以教師為中心”轉(zhuǎn)向“以學(xué)生為中心”，注重對預(yù)期學(xué)習(xí)效果的把握，按照畢業(yè)時學(xué)生所應(yīng)達到的要求制定教學(xué)計劃和培養(yǎng)方案，以便預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果的實現(xiàn)。

美國工程教育認證協(xié)會（ABET）全面接受了OBE的理念，并將其貫穿于工程教育認證標準的始終。2013年6月，我國被接納為《華盛頓協(xié)議》簽約成員。相關(guān)實踐證明，用成果導(dǎo)向教育理念引導(dǎo)工程教育改革具有現(xiàn)實意義[5][6]。

我校電氣工程學(xué)院于2018年9月提出認證申請并獲得批準。與此同時，我們對數(shù)字電子技術(shù)實驗也進行了改革與試點，將OBE理念貫穿于實驗教學(xué)過程之中。數(shù)字電子技術(shù)實驗是我校電氣工程與自動化專業(yè)的基礎(chǔ)課，面向大二年級的本科生，是培養(yǎng)學(xué)生基本實驗技能與工程實踐能力的重要環(huán)節(jié)?；贠BE理念[1][7]，我們重新思考了數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)的目的，是要讓學(xué)生通過各個實驗環(huán)節(jié)最終掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本方法，學(xué)會利用EDA（Electronics Design Automation）工具進行數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計，從解決復(fù)雜工程問題中提升工程實踐的能力、分析和解決工程問題的能力，并且會撰寫標準規(guī)范的實驗報告。因此，我們總結(jié)了目前實驗教學(xué)中存在的問題，以O(shè)BE理念為指導(dǎo)進行了一系列改革。目前，該課程改革已進行了兩屆試點，效果顯著。

二、基于OBE理念的數(shù)字電子技術(shù)實驗改革

1.以項目設(shè)計為導(dǎo)向，變革實驗內(nèi)容

可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，簡稱PLD），包括現(xiàn)在的CPLD和FPGA。隨著以PLD為主的新技術(shù)及其行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的邏輯設(shè)計教學(xué)體系與行業(yè)的實際應(yīng)用需求產(chǎn)生了偏差[8]，首先，傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)的許多內(nèi)容已經(jīng)被淘汰。例如，卡諾圖在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中很少用到。此外，傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的許多中小規(guī)模器件都已經(jīng)淘汰，市面上很難買到。傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)的狀態(tài)是教的不用，用的不教，有些內(nèi)容僅僅用于考試，實際生活中基本不用。

國外數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)早已更新成基于CPLD和FPGA的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計，如MIT、Stanford和UC Berkeley等美國很多著名高校不斷跟進數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，都是在基于新型FPGA的實驗系統(tǒng)上開展《數(shù)字電子技術(shù)》《微處理器結(jié)構(gòu)》《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計》等課程的教學(xué)和實驗[9]。

基于硬件描述語言的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)的主流[10]。因此，我們針對教學(xué)模式進行了以下四個方面的改革：

（1）合理分配學(xué)時

作為實踐類的課程，教學(xué)內(nèi)容必須緊跟技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)的需求，而數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計能力的提升需要大量、不斷的設(shè)計實踐的積累。因此，我們將實驗課程的重點放在對學(xué)生數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計能力的培養(yǎng)上，將傳統(tǒng)基于中小規(guī)模器件的相關(guān)實驗教學(xué)學(xué)時壓縮，由原來的8學(xué)時變?yōu)?學(xué)時，其余12學(xué)時均轉(zhuǎn)向基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實驗。保留中小規(guī)模器件實驗的主要目的，是通過門電路的功能和特性測試，使學(xué)生對所學(xué)理論知識有一個直觀的認識和理解，便于學(xué)生掌握數(shù)字電子電路的基本原理和工作過程。

（2）以項目為始，以項目為終

在基于FPGA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實驗內(nèi)容上，通過教學(xué)要達到的目的和效果引領(lǐng)實驗內(nèi)容的設(shè)計。改革之前，實驗內(nèi)容大多為驗證性實驗，通過Verilog語言進行功能電路描述與驗證。例如，多路選擇器、3-8譯碼器、秒脈沖發(fā)生器等實驗，各個實驗之間沒有相互聯(lián)系，學(xué)生最終并未真正掌握系統(tǒng)設(shè)計的方法，只見樹木不見森林。

為了培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的能力，我們拋棄了大部分驗證性實驗，改為設(shè)計性實驗，并且以項目設(shè)計為導(dǎo)向，每學(xué)期提出一個復(fù)雜設(shè)計性題目，然后將題目分解成幾個有相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計性實驗，采用遞進性的實驗內(nèi)容安排，最終完成一個復(fù)雜的設(shè)計性實驗。通過完整的項目設(shè)計，使學(xué)生能夠體驗到一個復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)從設(shè)計到實現(xiàn)的全過程，同時培養(yǎng)了學(xué)生的系統(tǒng)性思維[11][12]。

（3）潤物細無聲

教師在教學(xué)過程中將數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計思想和方法融入每次實驗，強調(diào)電路與Verilog語言程序的對應(yīng)關(guān)系，注重數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計思想與方法的傳授，如有限狀態(tài)機、數(shù)模轉(zhuǎn)換、模塊化設(shè)計等，既體現(xiàn)FPGA的特點，又能包含F(xiàn)PGA設(shè)計關(guān)鍵點，使學(xué)生在循序漸進的實驗過程中逐步掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的流程和方法。

（4）人人都能成功

在題目設(shè)置方面，將題目拔高到學(xué)生可以夠得到的程度，促使學(xué)生努力去做。同時，題目又是分級別的，分別設(shè)置基礎(chǔ)要求和提高要求，學(xué)生根據(jù)自己的能力完成相應(yīng)難度的題目要求，體現(xiàn)了差異化教學(xué)，確保人人都能掌握基本的設(shè)計方法。

2.豐富微信公眾號內(nèi)容，課內(nèi)課外協(xié)同

由于學(xué)時數(shù)有限，通過課堂講解實驗內(nèi)容的重點和難點，很難做到全面細致;數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的學(xué)習(xí)需要大量扎實、循序漸進的實驗練習(xí)，僅僅完成課堂實驗任務(wù)遠遠無法達到學(xué)習(xí)的目標。同時，學(xué)生需要學(xué)習(xí)一種新的硬件描述語言——Verilog語言，它不同于其他高級編程語言，學(xué)生在短時間內(nèi)理解和掌握存在困難，需要在大量的練習(xí)中不斷總結(jié)和積累。

針對以上問題，我們建立了數(shù)字電子技術(shù)微信公眾號，將基礎(chǔ)內(nèi)容和實驗任務(wù)公布在公眾號上，如ISE軟件的使用、引導(dǎo)例程以及有關(guān)Verilog語言設(shè)計要點，常見Warning和Error處理方法等。學(xué)生可以利用公眾號隨時隨地進行課下自學(xué)和預(yù)習(xí)，在短時間內(nèi)掌握FPGA設(shè)計的基本方法。

實驗教材還給出大量的數(shù)字電路模塊實例和練習(xí)。例如，譯碼器、編碼器、多路選擇器、比較器、加法器、移位寄存器、計數(shù)器等等。學(xué)生在課下進行基礎(chǔ)實驗練習(xí)，并根據(jù)公眾號發(fā)布的實驗進程和要求完成課上實驗任務(wù)。

3.制作實驗報告模板，規(guī)范實驗報告

實驗報告是一個完整實驗的重要組成部分，是對實驗的再次思考、分析和總結(jié)的過程，體現(xiàn)了實驗者的科學(xué)素養(yǎng)。學(xué)生今后無論是畢業(yè)設(shè)計還是研究生學(xué)習(xí)，都需要將研究結(jié)論、實驗結(jié)果以報告的形式提交。因此，撰寫標準的實驗報告是學(xué)生必須具備的一項基本能力。往屆學(xué)生上交的實驗報告常常存在各種格式不規(guī)范的問題，如缺少目錄、字體大小不合適、圖表格式不規(guī)范、沒有完整的數(shù)據(jù)分析等諸多問題。如何指導(dǎo)學(xué)生完成一份合格的實驗報告，也是此次改革的一項重要內(nèi)容。

為此，我們制作了實驗報告模板，要求學(xué)生套用報告模板撰寫報告。模板中包含了摘要、目錄、附錄等報告所需的基本元素，也給出了規(guī)范的標題和正文字體、字號以及圖表的格式要求。通過引導(dǎo)，學(xué)生提交的報告雖然仍會出現(xiàn)這樣那樣的小問題，但總體來說在規(guī)范性和內(nèi)容完整性上有了很大程度的提升。

三、實驗案例的具體實施

1.題目設(shè)置與課程安排

以2019年春季教學(xué)為例，本次選擇的設(shè)計內(nèi)容為函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，自選信號發(fā)生器頻率的控制方法?；竟δ芤鬄檩敵稣也ǎ翌l率可變。頻率變化范圍：1Hz-9999Hz。提高要求則是在此基礎(chǔ)上，產(chǎn)生三角波和方波，且實現(xiàn)幅度和直流偏移可調(diào)以及擴大頻率輸出范圍。確立題目后，我們將題目分解到每次實驗當(dāng)中，每一步都是在前一步的基礎(chǔ)上展開的。實驗具體安排如表1所示。

2.現(xiàn)場教學(xué)與考核

實驗課程一開始，教師就告知學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)實驗課最終要完成函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計。學(xué)生首先有一個數(shù)字系統(tǒng)的概念，站在系統(tǒng)的角度去搭建系統(tǒng)組成的每一個模塊。從FPGA實驗開始，每一個實驗?zāi)K都在為最后一次函數(shù)信號發(fā)生器做準備。每次實驗又是一個相對比較完整的設(shè)計性實驗，都有一定的難度，只有把每一次實驗都做好，才能保證后續(xù)實驗的順利進行。

我們通過課前預(yù)習(xí)、課內(nèi)講解和當(dāng)堂驗收來推動學(xué)生一步步地完成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計。一方面，學(xué)生需要在課前根據(jù)公眾號提供的內(nèi)容進行預(yù)習(xí)，并對設(shè)計中模塊進行仿真驗證，只有驗證通過了才能進行下載調(diào)試。另一方面，每次實驗課都要進行10-15分鐘的講解，重點講解設(shè)計方法、設(shè)計步驟、設(shè)計原理，強調(diào)Verilog語言的特點和設(shè)計規(guī)范。在實驗過程中，對出現(xiàn)的共性問題，隨時給予講解。此外，我們鼓勵學(xué)生相互討論，但杜絕照搬照抄，為此每次實驗都會在基本實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整實驗要求，不同班級驗收的內(nèi)容不盡相同。并且在驗收時，對學(xué)生進行相關(guān)知識和要點的考察。

3.答疑和實驗室開放

函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計必須使用示波器，在最后一個實驗周前的周日和周六，我們?nèi)扉_放實驗室，并給學(xué)生提供答疑。學(xué)生的積極性很高，實驗室全天爆滿，甚至到了晚上12點，有的學(xué)生還不愿意離開。為此，我們將最后一個實驗周除有實驗課外的時間，全天對學(xué)生開放，盡可能多地為學(xué)生提供學(xué)習(xí)條件，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

4.作品驗收與實驗報告提交

最后一次實驗課，進行課內(nèi)作品驗收，學(xué)生需向教師展示所實現(xiàn)的作品功能，講解系統(tǒng)功能和設(shè)計思路，并回答教師提出的問題。同時，學(xué)生提交實驗報告及作品演示視頻，教師當(dāng)面指出設(shè)計報告中存在的問題。99%的學(xué)生都能完成基本實驗要求，40%的學(xué)生能完成1-2項提高要求，并且在實現(xiàn)方法上多種多樣。

四、結(jié)語

教研組在改革的過程中充分貫徹了OBE思想，以項目為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心，不僅注重學(xué)生最終的實踐成果，更注重學(xué)習(xí)和實踐的過程，教師通過題目的層次化設(shè)計，分節(jié)引導(dǎo)，使學(xué)生逐步具備扎實的硬件描述能力和綜合設(shè)計能力。

數(shù)字電子技術(shù)實驗不再是簡單的模塊電路設(shè)計和驗證，而是通過最終完成一項數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計來檢驗學(xué)生基礎(chǔ)是否牢靠，是否具有數(shù)字系統(tǒng)的硬件描述能力。經(jīng)過試點，學(xué)生的興趣和積極性大大提高，都能在教師的引導(dǎo)下完成最終的項目設(shè)計，并且目標的實現(xiàn)方法靈活多樣，具備了基本的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計能力和撰寫規(guī)范實驗報告的能力。

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