基于工程教育理念的數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

傅莉，劉偉彬

（景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333002）

0 引言

數(shù)字電子技術(shù)是電子信息類本科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和工程性，將軟件和硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合。在深化新工科人才建設(shè)的背景下，以學(xué)科知識(shí)為導(dǎo)向，以教師為主體的教學(xué)模式無法滿足新時(shí)代工程專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)工程教育進(jìn)行創(chuàng)新勢(shì)在必行[1]。

本文基于新工科背景下工程教育人才培養(yǎng)要求，借助開放性較強(qiáng)的線上資源，實(shí)施線上線下一體化融合式教學(xué)，利用翻轉(zhuǎn)課堂、工程問題引導(dǎo)式教學(xué)模式，突出工程思維理念，并融入思政元素，培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)情懷和樹立正確的人生觀，使學(xué)生在掌握數(shù)字電路理論分析、設(shè)計(jì)及基本實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化工程應(yīng)用能力，提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力，適應(yīng)對(duì)電子信息技術(shù)的時(shí)代要求，并充分發(fā)揮教師教書育人的作用。

1 以學(xué)生為中心的項(xiàng)目式教學(xué)改革實(shí)踐

數(shù)字電子技術(shù)課程是一門工程性和實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，在科技飛速發(fā)展的今天，原有的教學(xué)模式已無法滿足工程性專業(yè)人才的培養(yǎng)要求，當(dāng)前工程教育的教學(xué)要求構(gòu)建以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，注重學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，引入項(xiàng)目式教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程創(chuàng)新實(shí)踐能力的有效方式。教師在教學(xué)過程中以項(xiàng)目為導(dǎo)向，重構(gòu)教學(xué)體系和課程內(nèi)容，在每個(gè)項(xiàng)目中融入課程思政元素[2]，“教、學(xué)、做”為一體，充分體現(xiàn)出教學(xué)改革的新模式和新理念。項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)見表1。

表1 項(xiàng)目式教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

以景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)電子信息工程專業(yè)的數(shù)字電子技術(shù)課程為例，采用“理論+實(shí)驗(yàn)”的方式進(jìn)行教學(xué)，其中理論學(xué)時(shí)46學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)10學(xué)時(shí)（均為線下獨(dú)立課程），共56學(xué)時(shí)，理論學(xué)時(shí)安排為：線上自學(xué)學(xué)習(xí)8 學(xué)時(shí)，線下討論8 學(xué)時(shí)，集中授課30 學(xué)時(shí)，另不定時(shí)地安排碎片時(shí)間自主學(xué)習(xí)。線上自學(xué)學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)和容易理解的內(nèi)容，線下討論課為工程案例或圍繞項(xiàng)目分析設(shè)計(jì)進(jìn)行深入探討，集中授課主要是教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。借助慕課堂和學(xué)習(xí)通等互聯(lián)網(wǎng)資源，實(shí)施線上線下一體化教學(xué)[3]。以汽車尾燈控制電路為例進(jìn)行項(xiàng)目分析、模塊電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)搭建。通過工程實(shí)例，幫助建立系統(tǒng)的概念，學(xué)會(huì)如何將多種邏輯功能模塊相互連接起來形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，體會(huì)系統(tǒng)中每一個(gè)模塊的工作原理及作用。

1）課前自學(xué)：利用線上平臺(tái)觀看視頻SPOC：計(jì)數(shù)器、寄存器及移位寄存器的定義、分類及電路實(shí)現(xiàn)，教師提供課前測(cè)試題和在線答疑。

2）課中學(xué)習(xí)：線下講解4 位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的工作原理、集成計(jì)數(shù)器74LS161 的功能，左移、右移、雙向移位寄存器的工作原理、集成移位寄存器74LS194的功能。

3）線下討論：①任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)：組織課堂專題討論如何利用十六進(jìn)制芯片74LS161構(gòu)成9進(jìn)制計(jì)數(shù)器，引導(dǎo)學(xué)生利用反饋清0法和同步置數(shù)法跳過其中7 個(gè)無效狀態(tài)構(gòu)成9 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)同步和異步60進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方法，并用multisim 軟件進(jìn)行仿真；②讓學(xué)生介紹計(jì)數(shù)器和移位寄存器的應(yīng)用場(chǎng)合，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)，教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，引入工程項(xiàng)目——汽車尾燈控制電路，分析其功能及技術(shù)要點(diǎn)，分組討論讓學(xué)生嘗試自行分解任務(wù)，了解汽車尾燈電路與計(jì)數(shù)器、移位寄存器之間的聯(lián)系，分小組進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)，提出完整的設(shè)計(jì)方案，最后用Multisim軟件進(jìn)行仿真。

4）課后：布置作業(yè)，推送提前錄制的微課視頻項(xiàng)目模塊中的重要知識(shí)點(diǎn)，強(qiáng)化課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生合作及科技創(chuàng)新能力，線上布置任務(wù)：30倒計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)與制作，要求學(xué)生分組完成任務(wù)并提交仿真視頻。

2 實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容改革

實(shí)踐教學(xué)是新工科建設(shè)背景下工程教育理念中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生只需要照著演示視頻步驟完成既定實(shí)驗(yàn)，最后連做了什么，為什么這么做都不清楚，更不用談創(chuàng)新、工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。OBE工程教育理念是獲國(guó)內(nèi)大部分高校認(rèn)可的一種工程教育模式，它強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向[4]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入OBE教學(xué)理念并融入理實(shí)一體化，注重實(shí)踐創(chuàng)新和思維開拓，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，分層次遞進(jìn)式選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)型、綜合設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新研究型三種類型，內(nèi)容與難度層層推進(jìn)展開。

1）基礎(chǔ)型

掌握常用門電路、中小規(guī)模集成電路芯片的功能和使用方法，具備基本的實(shí)驗(yàn)操作能力和處理數(shù)據(jù)的能力，加深對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用。

2）綜合設(shè)計(jì)型

利用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)，完成具有一定功能的中小型數(shù)字系統(tǒng)的搭建和仿真，提高工程應(yīng)用，在綜合設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)方面，適應(yīng)對(duì)電子信息時(shí)代要求。

3）創(chuàng)新研究型

在綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高學(xué)生科研層次的訓(xùn)練，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。以FPGA 平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)操作的載體，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)意，培養(yǎng)學(xué)生具有基本科學(xué)研究的素養(yǎng)和認(rèn)真嚴(yán)肅的科學(xué)作風(fēng)，以及解決復(fù)雜工程問題的能力和團(tuán)結(jié)合作的精神。

在課程之后安排的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐任務(wù)，將查找文獻(xiàn)、軟硬件電路設(shè)計(jì)、調(diào)試，制作數(shù)字電子產(chǎn)品和撰寫課程設(shè)計(jì)說明書貫穿其中，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐中分析和解決問題的能力，提高學(xué)生應(yīng)用數(shù)字電路技術(shù)的思路和方法解決工程問題的能力。

3 基于口袋實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革

面向工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在工程實(shí)踐創(chuàng)新方面起到關(guān)鍵作用。但目前很多高校實(shí)驗(yàn)室資源匱乏，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱通用性低且受場(chǎng)地制約，給綜合設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的實(shí)施帶來很大的困難。2020 年，線下實(shí)驗(yàn)因疫情無法有效展開，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和仿真軟件迅速應(yīng)用開來。口袋實(shí)驗(yàn)室最早由斯坦福大學(xué)克利夫頓博士提出，由于體積小、成本低、功能全面、攜帶方便、便于二次開發(fā)，可以靈活地帶入生活當(dāng)中的各種場(chǎng)景[5]?？诖鼘?shí)驗(yàn)被學(xué)生使用到課堂和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，理論學(xué)習(xí)與動(dòng)手實(shí)踐同步，學(xué)生在掌握扎實(shí)理論基礎(chǔ)的同時(shí)，提升分析和解決實(shí)際問題的能力，實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化?；诳诖鼘?shí)驗(yàn)室的教學(xué)模式，構(gòu)建以學(xué)生為中心的工程教育理念，使項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)突破了原有的時(shí)間和空間的限制，給學(xué)生賦予了更大的創(chuàng)造力和想象力，從本質(zhì)上提高了數(shù)電實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，有效地提高了學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校較早地引入口袋實(shí)驗(yàn)室。人們借助口袋實(shí)驗(yàn)室，陸續(xù)嘗試在“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)中引入FPGA的相關(guān)知識(shí)，課程均安排在線上自學(xué)，線下前期可將綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行細(xì)化分解，根據(jù)實(shí)施效果進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，利用FPGA開發(fā)板和Vivado開發(fā)環(huán)境，搭配面包板和簡(jiǎn)單電子器件構(gòu)成便攜式系統(tǒng)，學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目搬到圖書館、自習(xí)室、寢室等場(chǎng)合進(jìn)行，自由安排時(shí)間進(jìn)行項(xiàng)目測(cè)試，經(jīng)過一輪線上線下學(xué)習(xí)實(shí)踐后，學(xué)生普遍能夠熟練運(yùn)用Verilog HDL語言實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決了教學(xué)與工程實(shí)踐脫節(jié)的問題，后期老師圍繞口袋實(shí)驗(yàn)安排創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，可實(shí)時(shí)請(qǐng)學(xué)生展示創(chuàng)新實(shí)踐成果，實(shí)現(xiàn)學(xué)生之間的團(tuán)隊(duì)合作和師生的全面互動(dòng)，同時(shí)也增加了課程的廣度并加強(qiáng)了課程的深度。

4 考核方式的改革

線上線下混合式教學(xué)模式中，傳統(tǒng)的采用“一卷式”考核考查學(xué)生學(xué)習(xí)成效已不再適用。加大過程考核，建立多元化、過程化、能力化的考核方式，將考核評(píng)價(jià)貫穿于教學(xué)過程中。教學(xué)課程考核分為線上和線下考核：在基礎(chǔ)知識(shí)考核方面，線上分為考勤（10%），線上章節(jié)自學(xué)測(cè)試（10%），主要目的是提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力；在能力考核和綜合素質(zhì)方面，線下分為分組討論（5%），任務(wù)設(shè)計(jì)、仿真與制作（10%），培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、工程實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)考核（15%）中加大綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的考核比重，從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要考查學(xué)生處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力到綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中電路設(shè)計(jì)、仿真結(jié)果、軟件使用、硬件調(diào)試及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中科研論文的撰寫，提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。期末考試（50%）分為基礎(chǔ)題、分析題和設(shè)計(jì)題進(jìn)行考查，這樣多元化的考核方式從基礎(chǔ)、能力到創(chuàng)新多方面、多角度提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課程學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)度。

5 結(jié)束語

基于新工科背景下工程教育理念對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)進(jìn)行改革，以學(xué)生為中心進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)，應(yīng)用線上線下混合式教學(xué)模式，引入思政元素、設(shè)置遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合多元化的考核方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識(shí)。新的教學(xué)模式新的理念，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)方法和手段能較大程度提升學(xué)生的工程思維和綜合實(shí)踐能力，對(duì)培養(yǎng)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才起到促進(jìn)作用。