新工科背景下“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”課程改革

李曉輝 程鴻 張艷

摘? ? 要：文章面向新工科建設(shè)需求，將以學(xué)生為中心的教育理念貫穿教學(xué)全過程，構(gòu)建理論與實踐相結(jié)合、教師講授與學(xué)生討論相結(jié)合、課堂教學(xué)與課外自主學(xué)習(xí)相結(jié)合、創(chuàng)新實驗與科學(xué)研究相結(jié)合的“四結(jié)合”課程體系，建立新工科背景下以“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”國家級一流本科課程為核心的全方位資源共享課程平臺。將理論課程、實驗課程、課程設(shè)計與工程實踐、創(chuàng)新設(shè)計和科學(xué)研究有機結(jié)合，通過“傳統(tǒng)教學(xué)+信息技術(shù)+口袋實驗室仿真”教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生進行探究式、個性化學(xué)習(xí)，在課程體系、教學(xué)內(nèi)容和方法，以及教學(xué)評價與實踐教學(xué)等方面進行了改革和探索。

關(guān)鍵詞：新工科；“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”課程；課程體系；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2023）12-0052-03

一、引言

新工科是新科技革命和產(chǎn)業(yè)變革背景下工程教育改革的重大戰(zhàn)略選擇，是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向，其目標為培養(yǎng)一大批引領(lǐng)未來技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程技術(shù)人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力支持和人才保障[1-2]。

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”是電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要介紹數(shù)字電路與邏輯設(shè)計的基本知識、基本器件和基本方法，討論邏輯電路的分析、設(shè)計與實現(xiàn)的全過程[3]。安徽大學(xué)“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”課程為首批國家級一流本科課程。課程組以教學(xué)改革和科學(xué)研究為載體，按照新工科建設(shè)和工程教育認證需求，將理論課程、實驗課程、課程設(shè)計與工程實踐、創(chuàng)新設(shè)計和科學(xué)研究有機結(jié)合；將數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)和新方法納入教學(xué)內(nèi)容；將教師科研成果、工程設(shè)計方法和實踐經(jīng)驗融入教學(xué)，在課程體系、教學(xué)內(nèi)容和方法，以及教學(xué)評價與實踐教學(xué)等方面進行了改革和探索。

二、建設(shè)內(nèi)容

（一）優(yōu)化課程體系

將以學(xué)生為中心的教育理念貫穿教學(xué)全過程，構(gòu)建理論與實踐相結(jié)合、教師講授與學(xué)生討論相結(jié)合、課堂教學(xué)與課外自主學(xué)習(xí)相結(jié)合、創(chuàng)新實驗與科學(xué)研究相結(jié)合的“四結(jié)合”課程體系。理論與實踐相結(jié)合：在掌握理論知識的同時，面向工程實際，充分發(fā)揮實踐教學(xué)的作用，提升學(xué)生對理論知識的理解和掌握程度。教師講授和學(xué)生討論相結(jié)合：培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的綜合能力和高級思維。課堂教學(xué)與課外自主學(xué)習(xí)相結(jié)合：課堂教學(xué)主要解決高階內(nèi)容，低階內(nèi)容由學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)。創(chuàng)新實驗與科學(xué)研究相結(jié)合：發(fā)揮科學(xué)研究的反哺作用，鼓勵學(xué)生進行探究性實驗，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

（二）重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)知識傳授、能力培養(yǎng)和價值塑造融為一體的理念，結(jié)合課程特點，全過程、全方位（課內(nèi)、課間、課外；講授、討論、作業(yè)）融入社會責任感，馬克思主義方法論、實踐觀等思政元素，建立課程思政案例庫，使學(xué)生在知識學(xué)習(xí)中塑造正確的世界觀、人生觀和價值觀。在教學(xué)案例、仿真驗證、課外作業(yè)及教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺討論等環(huán)節(jié)中融入思政元素，培養(yǎng)學(xué)生不斷探索、追求真理和勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神，以及嚴謹認真的職業(yè)素養(yǎng)和社會責任感[4]。

例如，在邏輯函數(shù)化簡知識點教學(xué)過程中，教師結(jié)合實際工程需求，引導(dǎo)學(xué)生在面對復(fù)雜工程問題時，一定要在思維和方法上由簡切入，關(guān)注問題的重要環(huán)節(jié)。在實際系統(tǒng)設(shè)計時，需要從全局出發(fā)，處理好整體和局部的辯證統(tǒng)一關(guān)系，使系統(tǒng)實現(xiàn)最簡化，以此培養(yǎng)學(xué)生的哲學(xué)思維，使學(xué)生樹立整體觀和全局意識。由邏輯函數(shù)化簡引伸到工程系統(tǒng)的優(yōu)化，讓學(xué)生認識到在滿足綜合性能的前提下，工程系統(tǒng)設(shè)計必須考慮系統(tǒng)的冗余性，在保證性能的前提下進行化簡，從而實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。在計數(shù)器設(shè)計中，為達到邏輯設(shè)計的最簡，有可能會出現(xiàn)計數(shù)器不能自啟動的現(xiàn)象，如果要求首先保證自啟動功能時，則需要犧牲邏輯電路的最簡。因此，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生在實際工程設(shè)計時，分析計數(shù)器不能自啟動的原因，修改邏輯設(shè)計并實現(xiàn)計數(shù)器的自啟動功能。同時，教師應(yīng)要求學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)和工作中，一定要抓住問題的主要矛盾，做到主次有序。當前，學(xué)生的首要任務(wù)就是認真學(xué)好專業(yè)知識，提高自己分析問題和解決問題的能力，為將來建設(shè)國家打好堅實的基礎(chǔ)。

面向新工科建設(shè)需求，突出科研對教學(xué)的促進作用，增強課程內(nèi)容的廣度和深度，培養(yǎng)學(xué)生深度分析、解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維[5]。教師將工程實際項目?“智能交通信號燈設(shè)計”作為教學(xué)案例，引入到計數(shù)器設(shè)計知識點的教學(xué)中，案例涉及傳感器、人工智能等交叉學(xué)科，適應(yīng)新工科建設(shè)需求，體現(xiàn)內(nèi)容的高階性和創(chuàng)新性。實踐證明，教師將承擔的科研項目引入教學(xué)，能夠使學(xué)生加深對理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題的能力。

教師應(yīng)注重教學(xué)內(nèi)容的前沿性和時代性，將科技前沿、學(xué)術(shù)研究、工程實踐等最新研究成果和技術(shù)引入課程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)精神。例如，教師可將數(shù)字電子與模擬電子的融合芯片、5G通信電路等數(shù)字電子技術(shù)發(fā)展的前沿成果引入教學(xué)，使學(xué)生了解、掌握數(shù)字電子技術(shù)的最新知識和發(fā)展動態(tài)。

（三）重組教學(xué)方法

強化知識、能力和素質(zhì)的有機融合，以提出問題、分析問題和解決問題為主線，將教學(xué)安排分為課前預(yù)習(xí)、課中講授討論、課后拓展3個環(huán)節(jié)，做到課前有準備、課中有突破、課后有思考。結(jié)合學(xué)生已掌握的知識、學(xué)習(xí)習(xí)慣和能力，教師可從以下2個方面來分階設(shè)計教學(xué)內(nèi)容。

1.知識點分階。由易到難，將知識點內(nèi)容分成低階內(nèi)容和高階內(nèi)容。學(xué)生通過自學(xué)即可掌握的知識點為低階內(nèi)容，如基本邏輯運算、集成電路芯片的功能介紹等；需要更深層次的學(xué)習(xí)才可掌握的知識點為高階內(nèi)容，如基于中規(guī)模時序邏輯電路的設(shè)計方法。

2.理論和實踐分階。根據(jù)知識點的特點和實踐情況將教學(xué)內(nèi)容分為理論模塊和專題案例模塊，針對組合邏輯電路和時序邏輯電路分別設(shè)置專題，由學(xué)生分組討論設(shè)計完成。采用混合式教學(xué)方法，低階內(nèi)容由學(xué)生利用線上網(wǎng)絡(luò)資源進行自主學(xué)習(xí)，教師全程關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并給予必要的指導(dǎo)。對于學(xué)生沒有掌握的知識點，教師將在線下教學(xué)時有針對性地進行重點講解。

教師通過“傳統(tǒng)教學(xué)+信息技術(shù)+口袋實驗室仿真”教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生進行探究式、個性化學(xué)習(xí)。教師利用課程組和電子儀器公司合作開發(fā)的“數(shù)字電路口袋實驗

室”（自制教具），在課堂上進行實驗效果的演示，同時，選定若干作業(yè)由學(xué)生課后完成，并進行實驗驗證。對于較復(fù)雜的設(shè)計題目，則需要學(xué)生組成團隊開展研究、討論，并進行報告和答辯。以“智能交通信號燈設(shè)計”為例，教師的活動包括提出問題、講解原理、解答難點、點評方案和歸納總結(jié)，學(xué)生的活動包括分析問題、研究思考、分組討論、方案設(shè)計、實驗驗證、總結(jié)匯報和學(xué)生互評。教學(xué)組織形式充分體現(xiàn)了教師主導(dǎo)、學(xué)生為主體的思想，通過師生互動、生生互動和多元評價，使學(xué)生深度參與課堂，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和熱情，鍛煉了學(xué)生的團隊合作能力和思辨能力。

在新冠疫情期間，針對實踐活動不易開展的現(xiàn)實情況，教師采用Multisim軟件仿真方法幫助學(xué)生加深對知識點的理解和驗證。教師通過共享屏幕、直播討論等方式，遠程指導(dǎo)學(xué)生在Multisim軟件中進行邏輯電路的設(shè)計。仿真實驗過程中，教師注重學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，引入實際工程中環(huán)境對電路的影響，引導(dǎo)學(xué)生分析原因，并修改、完善設(shè)計方案，最終得出正確的實驗結(jié)果，以此培養(yǎng)學(xué)生工程實踐觀念和發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力。

（四）重建課程評定方式

根據(jù)課程特點，制定課程考核評價環(huán)節(jié)及權(quán)重以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。課程考核包括平時成績、期中考試和期末考試等環(huán)節(jié)（表1）。建立多重教學(xué)效果反饋機制，通過作業(yè)、課堂提問、課間答疑、討論答辯及網(wǎng)絡(luò)交流等途徑，及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，改進教學(xué)內(nèi)容和方法，保證教學(xué)質(zhì)量。

（五）強化實踐教學(xué)

將實驗課程統(tǒng)一規(guī)劃、系統(tǒng)安排，實現(xiàn)了實驗課程模塊化、實驗內(nèi)容層次化、培養(yǎng)模式多樣化、教學(xué)手段現(xiàn)代化、教學(xué)方法多元化[6-7]?；A(chǔ)性實驗主要采取現(xiàn)場指導(dǎo)的實踐教學(xué)方式；設(shè)計性實驗主要采取開放式自主實踐教學(xué)方式；創(chuàng)新研究性實驗主要采取學(xué)生自主選題、導(dǎo)師課外輔導(dǎo)的研究式教學(xué)方式；工程性實驗主要采取分段式和開放式教學(xué)模式，即在確定的時間段內(nèi)進行開放式實踐。

在實驗教學(xué)手段上，采用仿真實驗與實際實驗相結(jié)合的方法，充分利用多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)手段，強化實驗教學(xué)效果。要求學(xué)生至少掌握一種仿真軟件的使用方法，在實驗中充分而靈活地應(yīng)用仿真軟件，做到“軟硬”結(jié)合，掌握數(shù)字邏輯電路的設(shè)計方法，從而實現(xiàn)“二個轉(zhuǎn)變”“一個提高”，即實現(xiàn)由基礎(chǔ)驗證性實驗向綜合設(shè)計性實驗轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)性實驗向創(chuàng)新性實驗轉(zhuǎn)變，進而提高實踐能力和創(chuàng)新精神。

充分依托綜合性大學(xué)文化優(yōu)勢，將大學(xué)生科技活動延伸至課堂教學(xué)，進一步提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神。按照“學(xué)科競賽與學(xué)術(shù)活動相結(jié)合、科技創(chuàng)新與科研實踐相結(jié)合、成果轉(zhuǎn)化與育人成才相結(jié)合”的原則，開展以培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神為目標的科技創(chuàng)新活動及工程應(yīng)用研究，使學(xué)生系統(tǒng)掌握電子系統(tǒng)設(shè)計過程中選題、立項、方案論證、電路設(shè)計、系統(tǒng)測試、總結(jié)報告、文檔整理等環(huán)節(jié)的功能和要求，充分發(fā)揮學(xué)生的能動性和創(chuàng)造力。

（六）注重資源建設(shè)

依托“電子線路和電子技術(shù)課程群”國家級虛擬教研室平臺，發(fā)揮安徽大學(xué)所屬華東地區(qū)教研室的優(yōu)勢，突出安徽大學(xué)“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”虛擬教研室的特色；創(chuàng)設(shè)雙向共建虛擬教研室的組織形式，構(gòu)建新工科背景下以“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”國家級一流本科課程、省級精品課程、省級精品資源共享課程和省級大規(guī)模在線開放課程示范項目為核心的全方位資源共享課程平臺。虛擬教研室成員發(fā)揮各自優(yōu)勢，拓展課程素材，豐富課程資源，協(xié)同共建教學(xué)大綱、知識圖譜、教學(xué)視頻、電子課件、習(xí)題試題、教學(xué)案例等教學(xué)資源，形成以“立德樹人為根本、智慧平臺為載體、校際合作為途徑、示范引領(lǐng)為目標”的“四位一體”虛擬教研室。教研室成員共同編寫的“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”課程教材已被安徽大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、華東師范大學(xué)等10余所高校選用，得到了師生的一致好評。新編教材《數(shù)字電路與邏輯設(shè)計》被教育部高等學(xué)校電工電子基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會評為推薦教材。

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”課程已建有教學(xué)大綱、教案、課件、習(xí)題庫、試題庫、課程思政案例庫和優(yōu)秀課程設(shè)計論文庫及全部課程視頻資源，使學(xué)生能夠最大限度地利用學(xué)習(xí)資源，開展自主學(xué)習(xí)?！皵?shù)字電路與邏輯設(shè)計”課程教學(xué)平臺已上線國家高等教育智慧教育平臺和學(xué)銀在線平臺，目前，國內(nèi)已有多所高校的1 500 多名學(xué)生在線學(xué)習(xí)和交流。

三、結(jié)束語

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”課程教學(xué)改革與實踐表明，堅持以學(xué)生為中心的理念，將新工科建設(shè)要求貫穿教學(xué)全過程，加深了學(xué)生對理論知識的理解，使學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題的能力得到有效提升，實踐能力和創(chuàng)新精神得到全面提高，形成了適合學(xué)科特色和學(xué)生特點的教學(xué)模式。思想政治教育與專業(yè)教育有機結(jié)合，使學(xué)生在潤物細無聲的知識學(xué)習(xí)中形成了正確的世界觀、人生觀和價值觀，自身的知識、能力和素質(zhì)得到發(fā)展，實現(xiàn)了課程教學(xué)目標。

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收稿日期：2023-03-28? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 修回日期：2023-04-19

作者簡介：李曉輝（1961—），男，安徽合肥人，安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授，博士，研究方向為通信與信息系統(tǒng)。

基金項目：國家級新工科研究與實踐項目“基于多學(xué)科交叉復(fù)合的新工科集成電路與系統(tǒng)專業(yè)及學(xué)科探索、建設(shè)與實踐”（E-06-2018019）；安徽省質(zhì)量工程項目“電子線路系列課程教學(xué)團隊”（2019jxtd0）、“‘數(shù)字電路與邏輯設(shè)計大規(guī)模在線開放課程”（2019MOOC028）