“三位一體”教學模式在“數(shù)字電路”課程中的應(yīng)用

張延軍 盧繼華 孫 磊

(1. 北京理工大學 網(wǎng)絡(luò)空間安全學院， 北京 100081)(2. 北京理工大學 集成電路與電子學院， 北京 100081)

數(shù)字電路具有高集成、高精度以及低功耗等特點，作為計算機、電子類專業(yè)學生的專業(yè)基礎(chǔ)課，“數(shù)字電路”課程對學生的專業(yè)知識技能以及工程思維培養(yǎng)都至關(guān)重要[1-8]。掌握“數(shù)字電路”的基本概念、原理和電路特點，在具體教學實踐過程中，通常采用“先器件后電路、先分立后集成、先原理后應(yīng)用”的教學模式。上述教學模式按照時間發(fā)展順序展開，雖遵守了事物發(fā)展規(guī)律，但顯得較刻板，很容易使學生“管中窺豹”，對課程整體架構(gòu)認知不明確，進而導致學習過程中抓不住重點。此外，“數(shù)字電路”作為電子信息類學生必修課程，往往因修課學生眾多，大班授課普遍。因此，“數(shù)字電路”課程教學面臨如下難題：一方面，授課模式單一，很難調(diào)動學生的積極性和主動性；另一方面，大班授課導致學生對新知識認知、接收及變通受影響。如何提升“數(shù)字電路”課堂教學效果及知識轉(zhuǎn)化率，一直廣受高校持續(xù)關(guān)注，也是專業(yè)基礎(chǔ)類課程致力于解決的難題之一。

結(jié)合上述問題，以及目前數(shù)字電路技術(shù)日新月異的發(fā)展現(xiàn)狀，需在教學內(nèi)容、教學方法與手段以及實踐教學方面進行探索與創(chuàng)新，來滿足技術(shù)革新對人才培養(yǎng)的新要求。

文獻[2]針對新工科背景，提出線上線下混合教學模式下的數(shù)字電路與邏輯設(shè)計實驗的多樣化教學，介紹面向過程和多維度的考核和評價新體系以及線上線下立體式教學資源與環(huán)境的構(gòu)建。文獻[3]提出了一種探究式的教學模式，從任務(wù)驅(qū)動出發(fā)，改進教學方法，促進學生動腦與動手，有效提高學生的積極性和主動性，培養(yǎng)學生獨立思考、動手實踐與協(xié)作設(shè)計能力。文獻[4]基于“數(shù)字電路”課程，提出了項目化教學的改革實踐方案。具體實踐環(huán)節(jié)，課堂上引入討論法，教學內(nèi)容上增加設(shè)計類及創(chuàng)新類實驗。文獻[5]結(jié)合目前數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，從教學改革指導思想、教學內(nèi)容、教學方法、教學手段等多方面提出了若干建議。文獻[6]圍繞學生課前、課中和課后三個階段學習活動而進行整合的設(shè)計，將教學理論和實踐相互融合。文獻[7]設(shè)計出既適合“數(shù)字電路”教學又具有專業(yè)特色的實驗項目，將科研成果引入實驗教學。文獻[8]從易到難地重新設(shè)計了教學內(nèi)容，重點培養(yǎng)學生利用FPGA設(shè)計數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng)的能力。因此，在數(shù)字電路技術(shù)飛速發(fā)展的形式下，“數(shù)字電路”教學改革、教學方法的改進以及教學策略的凝練勢在必行。如何找到一種好的教學模式，既能提升課堂教學質(zhì)量，又能調(diào)動學生學習的積極性，將課程教學效果量化，對于“數(shù)字電路”課程教學效果的提升是非常有意義的。

經(jīng)過多年不斷摸索和長期教學實踐，任課教師們在課堂教學實踐中逐步形成了較為完備的“三位一體”教學方式，將“課堂教學、平時表現(xiàn)及實踐教學”融為一體。其中，課堂教學側(cè)重于漸進式問題引導；“平時表現(xiàn)”將“作業(yè)、考勤與實踐”三方面；“實踐教學”包括分組實驗、獨立實驗以及獨立答辯三個環(huán)節(jié)。全方位、立體地從問題引導、立體表現(xiàn)及實踐鍛煉三個層面指引學生，培養(yǎng)學生獨立分析、設(shè)計及表達的能力。首先闡述了“三位一體”教學模式，再分別細致闡述“數(shù)字電路”教學實踐策略。最后，對全文進行總結(jié)。

1 教學目標與“三位一體”教學模式概述

為了達到好的課堂教學效果，教師將教學知識點轉(zhuǎn)化為教學案例，引導學生解答和實施教學案例?！皵?shù)字電路”課程圍繞使學生掌握邏輯代數(shù)的基本概念及運算規(guī)律、掌握組合電路及時序電路的分析與設(shè)計展開，具體體現(xiàn)在以下5方面：

目標1：通過課堂教學，使學生掌握數(shù)制、編碼和邏輯代數(shù)的規(guī)則、規(guī)律等；

目標2：通過課堂教學，使學生掌握數(shù)字集成電路設(shè)計、可編程器件、脈沖信號的產(chǎn)生與整形、ADC、DAC等；

目標3：通過課堂教學，使學生掌握利用邏輯代數(shù)分析與設(shè)計合邏輯電路；

目標4：通過課堂教學，使學生掌握利用邏輯代數(shù)知識分析和設(shè)計時序邏輯電路；

目標5：通過教學實驗，使學生掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法，并具備利用相關(guān)軟件和FPGA芯片進行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的能力。

上述5個課程目標體現(xiàn)了課程內(nèi)容、課程任務(wù)以及希望達到的學習成果。課程目標是學生學習效果的檢驗參考，也是課程評價的考核標準之一。

圍繞上述課程目標，提出了“三位一體”教學模式，如圖1所示。所提教學模式，包括課堂教學、平時表現(xiàn)及實踐教學等三個相互結(jié)合的環(huán)節(jié)，教學策略貫穿于“數(shù)字電路”課程教學環(huán)節(jié)中的各個階段。

圖1 “三位一體”教學模式組成與關(guān)系示意圖

圖1中的課堂教學包括三方面內(nèi)容：教案設(shè)置、漸進演示以及問題拋出與拆解。通過漸進式問題與拆解講述，啟發(fā)學生主動思考并深入?yún)⑴c到課堂的互動中來，調(diào)動學生的學習興趣和積極性。學生不是被動地被灌輸知識，而是在循序漸進的提問、交流和互動中掌握知識點，此種積極輕松的學習方式也進一步應(yīng)用于實踐環(huán)節(jié)中。三位一體教學策略的第二部分“平時表現(xiàn)”，包括三方面：平時作業(yè)完成度、課堂考勤以及實踐表現(xiàn)；此三方面平時表現(xiàn)，分別體現(xiàn)到成績中的三個評價：卷面考核、平時評價和實踐結(jié)果評價?！叭灰惑w”教學策略的第三部分：實踐教學包括分組討論、獨立實踐和實踐答辯，每個環(huán)節(jié)都配備研究生助教輔助(平均3位學生1位研究生助教)，且實施過程都有量化考核環(huán)節(jié)，如答辯環(huán)節(jié)，組織老師加研究生為答辯委員會，每位學生獨立答辯。通過上述全方位、立體的實踐環(huán)節(jié)，學生既鍛煉了合作配合能力，又鍛煉了獨立思考、設(shè)計及表達的能力，同時還將教學效果進行了細致量化?？傊ㄟ^圖1中“三位一體”的教學組織和實施既能保證每個學生按照要求完成“數(shù)字電路”課程學習和系統(tǒng)設(shè)計，又能有效保證每條預(yù)期學習目標的達成，進而達到較為圓滿的教學效果。

2 “三位一體”在“數(shù)字電路”中的實踐

將“三位一體”教學模式應(yīng)用于課程教學實踐中，教師以書本內(nèi)容或?qū)嵺`環(huán)節(jié)對學生進行引導，設(shè)定大、小問題，使學生按照老師思路走；激發(fā)學生學習興趣的同時，也增進了與學生間的互動與溝通交流。

2.1 課堂教學

課堂教學包括三方面內(nèi)容：設(shè)置教學案例、教學實例循序漸進的演示和講解、以及問題拋出與拆解。

教學前把“數(shù)字電路”課程中的內(nèi)容分解成一個個小的知識模塊，再將教學知識點融入具體課程中，為接下來設(shè)置課程任務(wù)，教學案例以及教學考核做準備。

“數(shù)字電路”的知識模塊分類歸納如下：

(1)“數(shù)字電路”相關(guān)的必要知識：數(shù)制、編碼和邏輯代數(shù)的公理、定理及定律；

(2)電子線路方面的基本知識：數(shù)字集成電路；可編程器件；脈沖信號的產(chǎn)生與整形；ADC、DAC以及存儲器；

(3)基于邏輯代數(shù)知識對組合邏輯電路進行分析與設(shè)計；

(4)結(jié)合組合電路，對時序邏輯電路進行分析與設(shè)計；

(5)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計及基于相關(guān)Verilog仿真軟件進行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計。

教學時采用PPT 課件進行教學，課件方便教師講授更多知識內(nèi)容，但存在課堂互動減少的情況。為保證學生對理論知識的掌握，同時保持興趣和學習熱情，針對性地在課堂中提問和設(shè)問，將知識點以互動的方式拋出，引導學生主動進行剖析和解答。

“拋出問題”的具體方式為：教師在講解每個知識點時舉例提問，讓學生們了解相應(yīng)知識背景后思考所問問題如何解答和實現(xiàn)，再引導出該概念的發(fā)展脈絡(luò)、描述及表達方式，幫助學生形成整體的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計思路。

2.2 平時表現(xiàn)

平時表現(xiàn)按照內(nèi)容分為課堂教學中的考勤、平時作業(yè)完成度以及實踐教學中的實踐表現(xiàn)。實踐表現(xiàn)是學生在分組實踐中實踐參與度的體現(xiàn)，具體通過實踐答辯環(huán)節(jié)定量體現(xiàn)。各項平時表現(xiàn)按照百分制給分，記錄在成績表中，總評成績時按照各項比例進行加權(quán)，然后總和得出考核成績，60分以下為不及格，60分(含)～70分為及格，70分(含)～80分為中等，80分(含)～90分為良好，90分(含)～100分為優(yōu)秀。

2.3 實踐教學

“數(shù)字電路”課程中的很多知識點都能與生活中的實例相對應(yīng)，將教學的知識點放入具體趣味性強的實踐任務(wù)中，在灌輸知識的同時，培養(yǎng)學生動手能力和邏輯思維。設(shè)計完備的實踐題目不僅能吸引學生認真思考，也能鍛煉學生觸類旁通和舉一反三的能力。具體實施時，實踐教學比例約為三分之一，包括：分組討論、獨立實踐和實踐答辯，每個環(huán)節(jié)都配備研究生助教輔助(平均3位學生1位研究生助教)，且實施過程都有量化考核環(huán)節(jié)，如答辯環(huán)節(jié)，組織老師加研究生為答辯委員會，每位學生獨立答辯。每位答辯委員會成員給學生打分，該打分作為量化的實踐成績。

下表1是“數(shù)字電路”課程的實踐題目及涉及到的知識點。

表1 “數(shù)字電路”系統(tǒng)設(shè)計題目及涉及到的知識點

其中，照明燈控制電路為組合電路設(shè)計；搶答器以及十字路口交通燈設(shè)計屬于時序邏輯電路設(shè)計。在“數(shù)字電路”的教學實踐中，以學生分組學習模式為主。課程實踐之前，建立微信學習小組提前將多媒體課件、電路設(shè)計資料以及仿真軟件下載到本地電腦并運行，提前完成人員分工。學生基于微信學習小組，進行有效的學習和溝通。在各自獨立的學習小組中提前討論實驗相關(guān)的內(nèi)容，在實踐過程中分享設(shè)計思路及編程心得，從而鍛煉學生的動手實踐能力。

課上針對表1中的3個題目，分別對組合電路設(shè)計及邏輯電路設(shè)計實施方案設(shè)計、模型搭建、系統(tǒng)仿真、效果驗證及重新修正模型的完整設(shè)計環(huán)節(jié)進行講解。

3 課程評價與教學效果

“數(shù)字電路”課程的平時評價、卷面考核以及實踐結(jié)果評價的課程評價體系，覆蓋了每條預(yù)期學習成果，并按比例滲透到平時作業(yè)及卷面考核。課程評價方式包括平時評價、卷面考核以及實踐結(jié)果評價三部分，對應(yīng)考核比重分別占10%、80%和10%，具體實踐時也可依據(jù)實踐題目以及卷面考題難度對上述各考核標準比重做適當微調(diào)。卷面考核涉及本課程的基本概念、基本理論和設(shè)計能力，參考第二大部分的5個課程目標展開。

該評價體系設(shè)計具有可操作性強的評價模式和評價標準，并能與預(yù)期學習成果與評價掛鉤。預(yù)期學習成果的每一條都具有可操作性的評價模式和評價標準。多輪次教學實踐表明，此教學模式在實際使用取得了很好的教學成果。以卷面考核為例，圖2是對2019-2021年度學生卷面各題的統(tǒng)計結(jié)果。其中，橫坐標的數(shù)值分別對應(yīng)著題目序號。

圖2 2019-2021年“數(shù)字電路”課程各大題得分統(tǒng)計

經(jīng)統(tǒng)計，近年來，卷面均分超過60分，出勤率高于90%，作業(yè)完成量 80%，系統(tǒng)設(shè)計成績均分大于75%，即超過四分之三的學生能掌握復雜數(shù)字系統(tǒng)的分析與設(shè)計。采用“三位一體”的教學模式和教學方法，對學生做到平時監(jiān)督、考試把關(guān)以及實踐出真知這三方面進行較為全面的督促與評估，從而有效而圓滿地達到預(yù)期學習目標及教學效果。

課堂教學、平時表現(xiàn)及實踐教學三環(huán)節(jié)相互聯(lián)系和互為反饋。從學生培養(yǎng)目標出發(fā)選擇教學內(nèi)容、從學生畢業(yè)要求出發(fā)選擇考試題目，每一個題目都對應(yīng)相應(yīng)的畢業(yè)要求指標點，考試結(jié)束后課題組統(tǒng)計所有學生的所有題目答題情況，并綜合分析學生各個指標點的達成情況，同時得出教學改進方案并在下一輪教學中予以實施。

下表2和表3分別是2017-2018年度和2020-2021年度“三位一體”教學模式實施前與實施后的課程得分和各題目得分情況統(tǒng)計。

從表2右邊2020-2021年度分數(shù)可以看出，60分以上成績的學生占比接近94%，平均分數(shù)更是高達76.5分，相較于表2左邊數(shù)據(jù)60分以上人數(shù)增加11%，平均分也提高4分。這表明，通過“三位一體”教學模式的實施、實踐與考核，所提出的教學方法能保證每個學生按照既定要求完成各學習環(huán)節(jié)，并且教學效果良好。

表2 “數(shù)字電路”2017-2018及2020-2021年度總分統(tǒng)計

下表3是“數(shù)字電路”“三位一體”教學模式實施前后的成績統(tǒng)計對比。

表3 “數(shù)字電路”“三位一體”教學模式實施前后的統(tǒng)計

從表3中可以看出，2020-2021年度相較于2017-2018年度各題平均得分漲幅很大，每道題的及格率有大幅提升。同時，從表3可以看出，第3題組合電路設(shè)計得分明顯偏低，教師們將組合電路設(shè)計內(nèi)容加大力度講解并融入實踐環(huán)節(jié)中的第1題(表1中的照明控制電路)。通過教學內(nèi)容及實踐環(huán)節(jié)的引入，提升學生組合電路的設(shè)計能力。同時，將試題比例進行調(diào)整，增加組合電路設(shè)計比例并改變那形式；與時序電路設(shè)計相結(jié)合，分散分布于第2題和第3題中。經(jīng)過調(diào)整后，發(fā)現(xiàn)修正后的第2及第3題的教學效果有明顯提升。

進一步地，采用調(diào)查表的方式抽取3個班共90個學生獲取教學反饋，結(jié)果如下：

(1)所有學生表示喜歡和接受“三位一體”教學方法；

(2)有3/4的學生覺得“三位一體”教學方法有利于提高學習自主性，覺得此種教學方法能讓學習互動性增強，完成相應(yīng)的學習目標后可以獲得一定的成就感。

4 結(jié)語

提出了“三位一體”教學模式以課堂教學為基礎(chǔ)，改善了傳統(tǒng)的以知識講授為目的，以考試為唯一檢驗標準的專業(yè)課授課模式，強化了學生學習的能動性。以學生興趣提升為中心，將“學”和“用”融合在一起，通過“問答式課堂教學”，將課程任務(wù)和目標通過問題提出、設(shè)問及答案對比為主的策略融入課堂授課中；進一步，融合“平時表現(xiàn)”以及“實踐教學”環(huán)節(jié)，平時作業(yè)強調(diào)學生獨立解決問題；實踐環(huán)節(jié)的分組討論強調(diào)學生相互交流及協(xié)作能力的提升，且實踐環(huán)節(jié)占比約三分之一，且配研究生助教和量化考核。該教學模式有效調(diào)動了學生的學習主動性和設(shè)計潛能，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。真正將原理與實踐相結(jié)合，做到學以致用，且給出了明確的評價標準。

經(jīng)過多輪次“數(shù)字電路”的教學實踐表明：“三位一體”教學模式實踐效果良好，學生參與度高。通過各環(huán)節(jié)考核的逐年改善，所述“三位一體”教學模式及策略可有效保證第二部分中每條預(yù)期學習目標的達成，且實現(xiàn)了較為圓滿的教學效果，值得繼續(xù)推行。