數(shù)字電路硬件設(shè)計(jì)課程鏈融合實(shí)踐教學(xué)探索

摘 要 文章旨在探討如何有效融合電子信息類實(shí)踐課程體系，以項(xiàng)目式教學(xué)為導(dǎo)向，促進(jìn)應(yīng)用型本科高校學(xué)生硬件電路實(shí)踐技能的提升。針對當(dāng)前學(xué)生對于核心課程群內(nèi)課程間遷移能力較差、動手能力較弱的問題，文章提出構(gòu)建跨課程的項(xiàng)目式教學(xué)體系，有機(jī)整合數(shù)字電子技術(shù)、EDA技術(shù)與應(yīng)用、電子線路設(shè)計(jì)等硬件核心課程的實(shí)驗(yàn)部分及相關(guān)實(shí)踐課程。在此模式下，學(xué)生通過參與實(shí)際項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與實(shí)施，將理論知識與實(shí)踐操作緊密結(jié)合，從而加深對技術(shù)原理的理解并增強(qiáng)實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 電子信息類；實(shí)踐課程融合；硬件電路制作；項(xiàng)目式教學(xué)

中圖分類號：G712 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.33.016

The Exploration of Practice Teaching under the View of Digital Circuit Hardware Design Curriculum Chain Fusion

——Taking applied undergraduate colleges as an example

NIE Mengya1， WANG Chunliu2， JIAO Fengmin1

（1.Jiangsu Aviation Technical College， Zhenjiang， Jiangsu 212134;

2. Nanjing Normal University Zhongbei College， Zhenjiang， Jiangsu 212300）

Abstract The article aims to explore how to effectively integrate the practical course system of electronic information， guided by project-based teaching， and promote the improvement of hardware circuit practical skills for applied undergraduate students. In response to the current problem of poor transfer ability and weak hands-on ability among students within the core curriculum group， this article proposes the construction of a cross course project-based teaching system， which organically integrates the experimental parts of hardware core courses such as digital electronic technology， EDA technology and applications， electronic circuit design， and related practical courses. In this mode， students closely integrate theoretical knowledge with practical operations by participating in the planning， design， and implementation of actual projects， thereby deepening their understanding of technical principles and enhancing their practical abilities.

Keywords electronic information; practical curriculum integration; hardware circuit making; project-based teaching

2015年，教育部等三部門發(fā)布了《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》，旨在對高校的深化改革與轉(zhuǎn)型發(fā)展進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，推動一部分高校將辦學(xué)思路切實(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)應(yīng)用型和技術(shù)技能型人才。隨著電子信息行業(yè)的迅猛發(fā)展，對應(yīng)用型本科院校所培養(yǎng)的人才提出了更高的要求，強(qiáng)調(diào)學(xué)生需具備實(shí)際動手能力，以推動電子信息產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

硬件成品的實(shí)現(xiàn)涵蓋了硬件電路功能設(shè)計(jì)以及硬件電路板的設(shè)計(jì)與制作，這一過程涉及數(shù)字電子技術(shù)、EDA設(shè)計(jì)與應(yīng)用的理論知識，同時還包含了電子線路設(shè)計(jì)、數(shù)模電課程設(shè)計(jì)、EDA課程設(shè)計(jì)、電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)等實(shí)踐知識。為了使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的理論知識有效應(yīng)用于實(shí)踐課程，本文提出了一種教學(xué)方法，即將項(xiàng)目式教學(xué)貫穿并融合進(jìn)整個電子類核心課程群。

1" 電子信息硬件課程群教學(xué)現(xiàn)狀

1.1" 理論課程與實(shí)踐課程聯(lián)系不夠緊密

在應(yīng)用型本科院校的電子信息類課程中，存在理論課程與實(shí)踐課程聯(lián)系不夠緊密的問題。這一現(xiàn)象導(dǎo)致學(xué)生難以將理論課上學(xué)到的電路知識有效應(yīng)用于實(shí)踐課程中，從而影響了他們的學(xué)習(xí)效果和實(shí)際操作能力。

具體針對數(shù)字電子技術(shù)課程，其理論主要是講解電路原理，而實(shí)踐內(nèi)容則側(cè)重于動手操作，要求學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)電路圖進(jìn)行硬件組裝與連接。但學(xué)生將課堂上學(xué)到的電路應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)操作中的能力尚顯不足。而在數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)中，若不明確指出關(guān)鍵電路的應(yīng)用，大多數(shù)學(xué)生難以僅憑理論課程的知識獨(dú)立進(jìn)行功能分析與設(shè)計(jì)。

此外，在EDA技術(shù)與應(yīng)用課程中，盡管該課程的電路設(shè)計(jì)理論知識全部來源于數(shù)字電子技術(shù)課程，學(xué)生在用硬件描述語言（Hardware" Description" Language）編寫電路時理應(yīng)能夠靈活運(yùn)用先前積累的理論知識。但實(shí)際情況是，學(xué)生不能對理論知識進(jìn)行遷移，很多情況下都需要復(fù)習(xí)，這就表明課程教學(xué)在理論與實(shí)踐的融合上還有待加強(qiáng)。

1.2" 實(shí)踐課程中動手能力較弱

在電子信息類專業(yè)中，實(shí)踐課程尤其重要。電子線路CAD作為硬件制作領(lǐng)域的核心課程，主要在于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，使他們能夠?qū)⒎抡嬖O(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的電路圖制作。此過程要求學(xué)生不僅能掌握選擇合適元器件的技巧、規(guī)劃電路布局的方法，還需全面考慮信號流向優(yōu)化與干擾抑制等復(fù)雜技術(shù)要素。然而，實(shí)際情況是學(xué)生在初次進(jìn)行PCB繪制時，往往搞不清元器件型號，且不能設(shè)計(jì)有效的測試點(diǎn)，甚至在是否共地、共電源的部分也缺乏直觀的理論認(rèn)知和檢查方法。

進(jìn)入實(shí)際制作階段，學(xué)生需要動手進(jìn)行制作。從腐蝕材料的配比開始，學(xué)生可能會遭遇腐蝕不完全、孔徑太小、焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、元件布局紊亂、電路板短路或開路等諸多問題，而這些問題直接關(guān)聯(lián)到最終產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性與可靠性。

在測試階段，學(xué)生在運(yùn)用測試工具如穩(wěn)壓電源、示波器等方面存在諸多問題。同時，他們?nèi)狈y試的方法，這導(dǎo)致其難以準(zhǔn)確執(zhí)行測試流程，進(jìn)而難以獲得正確的測試結(jié)果。

1.3" 綜合實(shí)踐和前期課程脫節(jié)

如表1所示，各硬件設(shè)計(jì)制作的課程與電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)這一課程之間差了將近一年的時間。這種時間跨度使得學(xué)生前期學(xué)過的硬件知識被逐步遺忘。而且在綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐中，學(xué)生往往更側(cè)重于程序編寫，忽視了硬件設(shè)計(jì)與制作的重要性。學(xué)生在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)時也是更加注重軟件，對于硬件部分的設(shè)計(jì)和制作更傾向于購買模塊化的硬件進(jìn)行組裝。但從長遠(yuǎn)的角度來看，由于缺乏對硬件設(shè)計(jì)的深入理解和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，在畢業(yè)后的就業(yè)市場上，學(xué)生更加愿意選擇軟件工程師而非硬件工程師崗位，這也對未來我國硬件電路的發(fā)展帶來不利影響。

2" 硬件課程鏈中多課程實(shí)踐教學(xué)融合模式探索

2.1" 構(gòu)建項(xiàng)目化可融合的多課程實(shí)踐教學(xué)

教學(xué)方式由傳統(tǒng)的教師為主型向以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變。具體實(shí)施步驟如下。

首先，鼓勵學(xué)生自主分組，并選擇研究項(xiàng)目，最大程度上確保學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主動性與參與度，且各學(xué)生組團(tuán)后可以相互監(jiān)督與學(xué)習(xí)。整個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)理論知識，在課后進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，利用仿真軟件進(jìn)行模擬實(shí)踐，最終在實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行成果展示。

隨后，在電子線路CAD課程中，各小組依據(jù)已完成的仿真結(jié)果，開展PCB圖繪制工作，其內(nèi)容包括選擇合適的元器件、進(jìn)行布局及布線設(shè)計(jì)、找準(zhǔn)合適的測試點(diǎn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。完成后，實(shí)施輪換匯報(bào)制度，確保每位學(xué)生都有機(jī)會分享自己對設(shè)計(jì)的見解，匯報(bào)內(nèi)容包括測試方案及預(yù)期結(jié)果等。

最后進(jìn)入數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)階段，學(xué)生根據(jù)原來的小組分組及項(xiàng)目進(jìn)行硬件制作與調(diào)試。由于每個項(xiàng)目電路圖較大，所以采用模塊化分工模式，在此過程中特別強(qiáng)調(diào)模塊間接口、電源與地線布局的重要性。硬件制作完成后，先測試分模塊，保證沒有短路和斷路現(xiàn)象，再通過接口進(jìn)行連接，測試完電路連接情況后，進(jìn)行全面調(diào)試，確保功能實(shí)現(xiàn)，并將最終數(shù)據(jù)整理成實(shí)踐報(bào)告。

在后續(xù)的EDA技術(shù)與應(yīng)用課程中，繼續(xù)沿用或微調(diào)原有分組，圍繞原有項(xiàng)目，引入硬件描述語言（HDL）進(jìn)行高層次設(shè)計(jì)。每個團(tuán)隊(duì)的成員根據(jù)“自頂向下”的設(shè)計(jì)模式討論項(xiàng)目的總體方案，然后領(lǐng)取項(xiàng)目中各個模塊的設(shè)計(jì)任務(wù)，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成整體項(xiàng)目拼接，并在課程結(jié)束時進(jìn)行總結(jié)匯報(bào)。

在此過程中以項(xiàng)目為主線，貫穿整個硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的課程中，讓學(xué)生能夠全面提升自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

2.2" 構(gòu)建線上線下一體化教學(xué)

在學(xué)生自主探索項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過程中，為確保其在遇到困惑時能迅速獲得解答，每位授課教師都創(chuàng)建了各自課程的QQ群及騰訊課堂。騰訊課堂中涵蓋了詳盡的知識點(diǎn)視頻資源，這些視頻以小知識點(diǎn)的方式呈現(xiàn)，幫助學(xué)生厘清復(fù)雜的概念；QQ群可以作為師生交流互動的橋梁，學(xué)生可以隨時在群內(nèi)提出疑問，教師及同學(xué)均可參與討論，共同解決問題。此外，群內(nèi)還設(shè)置了作業(yè)提交與互評機(jī)制，促進(jìn)了學(xué)生之間的合作學(xué)習(xí)與相互激勵，實(shí)現(xiàn)了課內(nèi)知識傳授與課外自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐探索的深度融合，構(gòu)建起了一個線上線下、課內(nèi)課外的立體學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。

2.3" 構(gòu)建更加多元的評價體系

為了全面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與參與感，課程 組對傳統(tǒng)理論課的評價體系進(jìn)行了改進(jìn)，建立了一個更為立體、多元化的評價機(jī)制。降低期末成績的比重，提高實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)，并創(chuàng)新性地引入了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)考核模式。在這一模式下，學(xué)生的最終分?jǐn)?shù)組成如表2所示，其中項(xiàng)目完成的分?jǐn)?shù)由其在項(xiàng)目中的實(shí)際貢獻(xiàn)度來綜合評定，從任務(wù)完成度、創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等多維度進(jìn)行量化評估，力求公平公正。

對于實(shí)踐課程，主要從以下五個維度開展考核，具體為：情感態(tài)度考核包含學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的積極性與態(tài)度；動手技能考核評估學(xué)生的實(shí)踐操作能力；項(xiàng)目功能考核確保項(xiàng)目成果的實(shí)用性與創(chuàng)新性；團(tuán)隊(duì)考核強(qiáng)化學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通能力；展示情況考核鼓勵學(xué)生勇敢表達(dá)，提升其演講與展示技巧。這一系列改革措施，旨在為學(xué)生提供一個更加公平、開放、包容的學(xué)習(xí)環(huán)境，促進(jìn)其實(shí)踐操作能力向更完善的方向發(fā)展。

2.4" 以電子設(shè)計(jì)競賽及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目為契機(jī)培養(yǎng)實(shí)踐人才

為了增強(qiáng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)競賽及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。電子設(shè)計(jì)大賽的硬件設(shè)計(jì)部分有很強(qiáng)的綜合性，學(xué)生通過比賽前期的大量訓(xùn)練，加上比賽期間 4天3夜的設(shè)計(jì)與制作及現(xiàn)場測試，能夠最大限度地檢驗(yàn)學(xué)生的硬件制作及調(diào)試水平，后續(xù)再加上程序編寫部分，可以作為一個很完整的作品呈現(xiàn)出來。而大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目更加需要一定的創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)能力，學(xué)生不但要自己拿出方案進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，還需要進(jìn)行制作測試。為了增強(qiáng)課程的延續(xù)性，本次課程改革還會把大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目作品和電子設(shè)計(jì)競賽作品作為優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行培育，為后續(xù)學(xué)生的畢業(yè)論文做好準(zhǔn)備工作。

3" 結(jié)語

社會對硬件工程師的需求與日俱增，為了培養(yǎng)出具有實(shí)踐能力的硬件人才，在應(yīng)用型本科院校建設(shè)背景下，各類硬件設(shè)計(jì)與制作課程教學(xué)融合是一個需要長期探索的過程，本文提出的基于項(xiàng)目化的融合方式只是開啟了一個小小的嘗試，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時，能夠更好地把理論知識應(yīng)用于實(shí)踐操作，反復(fù)練習(xí)硬件設(shè)計(jì)與制作，提升團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，對接企業(yè)需求，為進(jìn)入工作崗位實(shí)現(xiàn)良好的鋪墊。

基金項(xiàng)目：2021年度南京師范大學(xué)中北學(xué)院教學(xué)改革研究課題“數(shù)字電路硬件設(shè)計(jì)課程鏈融合視角下的實(shí)踐教學(xué)探索”（2021YJG006）。

參考文獻(xiàn)

[1] 聶夢雅.“EDA技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)現(xiàn)狀分析與教學(xué)方法改進(jìn)[J].無線互聯(lián)科技，2020（5）：108-109.

[2] 李忠文，蘇士美，彭金柱，等.電氣信息類電子技術(shù)系列課程多維度交互融合教學(xué)模式改革與實(shí)踐[J].高教學(xué)刊，2024（12）：158-161.

[3] 劉波，宋彬彬.新工科背景下數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2024（3）：68-71.

[4] 徐琬婷，王蘋，陳蕊，等.新工科背景下數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)改革實(shí)踐研究[J].電腦知識與技術(shù)，2024（14）：173-176，180.

[5] 張小玲.電子信息類專業(yè)多課程協(xié)同教學(xué)模式探索與實(shí)踐[J].科教導(dǎo)刊，2024（14）：40-42.