以“學(xué)生能力培養(yǎng)”為核心的“數(shù)字邏輯與數(shù)字電路”教學(xué)改革研究

摘 要：在“新工科”背景下，針對(duì)學(xué)生缺乏知識(shí)框架意識(shí)、課程內(nèi)容多學(xué)時(shí)少、課程內(nèi)容抽象不易理解和傳統(tǒng)教學(xué)評(píng)價(jià)不客觀等痛點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)“數(shù)字邏輯與數(shù)字電路”課程進(jìn)行了教學(xué)改革。教學(xué)內(nèi)容三階模塊化，理清課程知識(shí)脈絡(luò)，培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)歸納的能力。通過(guò)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，采用線上線下混合式教學(xué)方式，精心打造課堂；運(yùn)用EDA仿真軟件，化抽象為直觀，培養(yǎng)學(xué)生善用現(xiàn)代輔助學(xué)習(xí)工具的能力；通過(guò)各類競(jìng)賽，積極開(kāi)展第二課堂，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力；利用信息技術(shù)支撐平臺(tái)智能化動(dòng)態(tài)跟蹤特點(diǎn)，科學(xué)化考核評(píng)價(jià)體系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。這些教學(xué)改革措施促進(jìn)了學(xué)生能力的培養(yǎng)，提升了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：“新工科”；線上線下混合式教學(xué)；EDA仿真軟件；第二課堂；教學(xué)改革；能力培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）10-0-03

0 引 言

在“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”構(gòu)成的新工科建設(shè)“三部曲”推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)各類高校的“新工科”課程教學(xué)改革研究如火如荼，致力于培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神和愛(ài)國(guó)情懷的應(yīng)用型人才[1-4]。

“數(shù)字邏輯與數(shù)字電路”是計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程，對(duì)學(xué)生而言是一門全新的課程，該課程包括數(shù)字邏輯電路技術(shù)等知識(shí)，可為后續(xù)學(xué)習(xí)硬件類課程如“計(jì)算機(jī)組成原理”，從事與人工智能、5G、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)信息技術(shù)相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)[5-6]。本課程具備較強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和工程性[7]，需要學(xué)生學(xué)習(xí)后面對(duì)實(shí)際電子電路問(wèn)題時(shí)，具有較強(qiáng)的邏輯思維能力、邏輯抽象能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，真正掌握對(duì)數(shù)字邏輯電路進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的技能，成為新工科背景下的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

當(dāng)前大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性差，惰于思考，對(duì)手機(jī)和電腦的依賴度高，因此傳統(tǒng)的教學(xué)方法已不適于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)[8]。如何培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力等，落實(shí)新工科背景下“以學(xué)生為中心”的人才培養(yǎng)教育理念，是本課程教學(xué)改革過(guò)程中需解決的問(wèn)題。本文將從教學(xué)內(nèi)容層次的劃分、仿真軟件的運(yùn)用和考核評(píng)價(jià)方面入手進(jìn)行教學(xué)改革。

1 教學(xué)改革要解決的痛點(diǎn)問(wèn)題

1.1 內(nèi)容多學(xué)時(shí)少，學(xué)生缺乏知識(shí)框架意識(shí)，學(xué)習(xí)動(dòng)力不足

該門課程包括數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路和硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL等，一般建議授課總學(xué)時(shí)為72學(xué)時(shí)，但實(shí)際總學(xué)時(shí)卻不斷在縮減，目前已減至48學(xué)時(shí)。學(xué)生惰于對(duì)知識(shí)關(guān)系的思考，缺乏知識(shí)框架意識(shí)，習(xí)慣于依靠課堂教師講授，被動(dòng)接受知識(shí)[9]，易出現(xiàn)“重軟件，輕硬件”的傾向[10]，缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)力。

1.2 內(nèi)容抽象，不易理解

教材等資源在電路分析和設(shè)計(jì)過(guò)程中將高、低電平通常抽象為用邏輯值“0”“1”表示，電平變化過(guò)程不直觀，學(xué)生不易理解，導(dǎo)致在理論教學(xué)過(guò)程中學(xué)生的注意力容易轉(zhuǎn)移，逐漸失去興趣。

1.3 過(guò)程性考核沒(méi)落實(shí)，評(píng)價(jià)不客觀

傳統(tǒng)的考核方式為總評(píng)成績(jī)=平時(shí)成績(jī)（10%）+實(shí)驗(yàn)成績(jī)（20%）+考試成績(jī)（70%）。考核時(shí)通常缺乏學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的有效數(shù)據(jù)，導(dǎo)致平時(shí)成績(jī)不準(zhǔn)確；部分學(xué)生習(xí)慣于考前臨時(shí)抱佛腳，期末成績(jī)不能真實(shí)反映學(xué)生的知識(shí)掌握情況，且占總評(píng)成績(jī)比例較大，造成總評(píng)成績(jī)不客觀。同時(shí)也導(dǎo)致部分自制力不強(qiáng)的學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)較為懶散。

2 課程教學(xué)改革與實(shí)施

針對(duì)課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，在“數(shù)字邏輯與數(shù)字電路”的教學(xué)中以“新工科人才培養(yǎng)”為指引，以學(xué)生能力培養(yǎng)為目標(biāo)，結(jié)合教學(xué)的實(shí)際情況，進(jìn)行了深入的教學(xué)改革與實(shí)踐，主要的教學(xué)改革舉措如下。

2.1 三階模塊化教學(xué)內(nèi)容，逐級(jí)提升

通過(guò)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，大部分學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)較薄弱，知識(shí)框架模糊且習(xí)慣于被動(dòng)接受，授課教師在清晰講解課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，按照知識(shí)“基礎(chǔ)→進(jìn)階→高階”的遞進(jìn)關(guān)系，逐級(jí)推進(jìn)各知識(shí)模塊內(nèi)容，并在第一次上課時(shí)給學(xué)生展示教學(xué)內(nèi)容三階模塊圖，如圖1所示，使學(xué)生能夠了解課程的推進(jìn)方向，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。

基礎(chǔ)模塊：對(duì)學(xué)生而言，本課程呈現(xiàn)的是另一種邏輯思維方式，即用數(shù)字的眼光看世界。例如我們常常提到的高/矮、是/否、上/下、大/小、開(kāi)/關(guān)等用非0即1的二進(jìn)制邏輯值來(lái)表示。因此，學(xué)生首先需要能描述數(shù)字邏輯電路中的基本定義和概念，靈活運(yùn)用邏輯電路分析和設(shè)計(jì)的基本數(shù)學(xué)工具—邏輯代數(shù)的基本公式和定理，化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)，采用不同方法表示邏輯函數(shù)，比較不同邏輯門與集成門電路的結(jié)構(gòu)、功能，闡述邏輯門、輸入、輸出的因果關(guān)系及應(yīng)用。

進(jìn)階模塊：邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)是課程的核心，要求學(xué)生在掌握基本模塊知識(shí)的基礎(chǔ)上，充分利用Proteus、Digital Logic Sim和Multisim等仿真軟件，化抽象為直觀，通過(guò)對(duì)大量案例進(jìn)行分析，對(duì)比組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路分析方法，運(yùn)用經(jīng)典方法進(jìn)行組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)。

高階模塊：以現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計(jì)流程為主線，利用先進(jìn)的集成設(shè)計(jì)環(huán)境Libero SoC，通過(guò)使用Verilog HDL進(jìn)行中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，訓(xùn)練對(duì)組合及時(shí)序等實(shí)用電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證的能力，并鼓勵(lì)學(xué)生描述和驗(yàn)證該設(shè)計(jì)。

教學(xué)內(nèi)容三階模塊化的劃分，能幫助學(xué)生理清課程知識(shí)的脈絡(luò)，明確課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，同時(shí)讓學(xué)生體驗(yàn)到總結(jié)歸納的重要性，并逐漸養(yǎng)成總結(jié)歸納的習(xí)慣。

2.2 虛擬仿真輔助教學(xué)，化抽象為直觀

本課程主要選擇Proteus、Digital Logic Sim兩種仿真軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，其中，Proteus安裝所占的存儲(chǔ)容量約為600 MB，Digital Logic Sim所占存儲(chǔ)容量相對(duì)較小，且可免安裝運(yùn)行，方便易用。教師可根據(jù)教室軟硬件的實(shí)際情況，選擇合適的EDA仿真軟件，為學(xué)生直觀展示電路的結(jié)構(gòu)、電路中端子的高低電平及變化過(guò)程，幫助學(xué)生更好地分析、理解電路的工作原理。圖2所示的Proteus仿真分別展示了R、S取值為10、01時(shí)的置0、置1情況，以及從10到00、從01到00時(shí)鎖存器狀態(tài)保持不變的情況。學(xué)生可根據(jù)自己的喜好選擇相應(yīng)的軟件在課堂和課后進(jìn)行電路仿真，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，培養(yǎng)學(xué)生善用現(xiàn)代虛擬仿真學(xué)習(xí)工具的能力。

2.3 基于云班課改考核評(píng)價(jià)，促進(jìn)學(xué)生能力培養(yǎng)

2.3.1 線上線下混合式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生能力

結(jié)合“云班課”線上平臺(tái)，以O(shè)BE理念為導(dǎo)向，進(jìn)行線上建課，開(kāi)展線上線下混合式教學(xué)。如圖3所示，該教學(xué)模型分為課前、課中、課后三個(gè)階段。

課前階段是知識(shí)預(yù)習(xí)階段，通過(guò)導(dǎo)學(xué)任務(wù)、觀看線上資源、討論答疑和自測(cè)等環(huán)節(jié)，旨在讓學(xué)生通過(guò)自主探究了解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

課中階段強(qiáng)調(diào)知識(shí)內(nèi)化，包括任務(wù)導(dǎo)入、小組成果匯報(bào)、課堂互動(dòng)、重難點(diǎn)梳理、測(cè)試、總結(jié)反饋等環(huán)節(jié)，通過(guò)小組協(xié)作探究學(xué)習(xí)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

課后階段是知識(shí)拓展階段，分為課后線上和課后第二課堂兩種類型。課后線上：網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的視頻資源與非視頻資源可重復(fù)使用，有利于學(xué)生針對(duì)未完全掌握或遺忘的內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)鞏固。另外，教師通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)布課后作業(yè)或拓展性探究任務(wù)，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。課后第二課堂：創(chuàng)新實(shí)踐中心位于產(chǎn)業(yè)學(xué)院校內(nèi)基地，課后學(xué)生可進(jìn)入創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行培訓(xùn)、提升，參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、三創(chuàng)賽等學(xué)科競(jìng)賽。通過(guò)不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)過(guò)程中，“云班課”作為信息技術(shù)支撐平臺(tái)，確保了教學(xué)中知識(shí)傳授、知識(shí)內(nèi)化與知識(shí)拓展的有效開(kāi)展，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

2.3.2 智能化動(dòng)態(tài)跟蹤，評(píng)價(jià)科學(xué)化

“云班課”具有智能化動(dòng)態(tài)跟蹤、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與即時(shí)反饋的特點(diǎn)，使教師能及時(shí)了解學(xué)情，也推動(dòng)了考核評(píng)價(jià)的改進(jìn)。課程總評(píng)成績(jī)＝過(guò)程性考核20%+實(shí)驗(yàn)考核30%+期末考試50%，其中，過(guò)程性考核內(nèi)容包括“云班課”平臺(tái)的課前自測(cè)、課堂測(cè)試、課堂互動(dòng)和課后作業(yè)等環(huán)節(jié)，經(jīng)驗(yàn)分值按比例累加后可直接換算為百分制分?jǐn)?shù)；實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)課堂學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)處理及分析，實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定注重學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；期末考試題目將從考試系統(tǒng)題庫(kù)中隨機(jī)抽題，快速實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組卷，并進(jìn)行線上考試，考點(diǎn)內(nèi)容根據(jù)教學(xué)目標(biāo)按比例分布于各章節(jié)。因此，考核評(píng)價(jià)變得更客觀和科學(xué)，能真實(shí)反映學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、效果，并激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3 教學(xué)改革實(shí)施效果評(píng)價(jià)

隨著教學(xué)改革的推進(jìn)，“云班課”線上建課資源逐漸豐富，師生課堂互動(dòng)增加，學(xué)生學(xué)習(xí)變得更積極主動(dòng)，期末成績(jī)高分段人數(shù)比例和及格率逐年提高，問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)生滿意度較高。在今年的“全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽”中，學(xué)生團(tuán)隊(duì)獲省二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，省三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，較去年有較大提升。這些成果也激勵(lì)了課程組教師不斷進(jìn)行教學(xué)改革研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

為滿足“新工科”背景下人才培養(yǎng)的需求，學(xué)校通過(guò)采取有效的激勵(lì)措施，不斷推進(jìn)教學(xué)改革?！皵?shù)字邏輯與數(shù)字電路”課程組分析了本課程教學(xué)改革中存在的痛點(diǎn)，從知識(shí)點(diǎn)歸納與層次劃分、仿真軟件的運(yùn)用和基于“云班課”的考核評(píng)價(jià)方面入手進(jìn)行了教學(xué)改革。實(shí)踐結(jié)果表明，教學(xué)內(nèi)容按層次劃分，幫助學(xué)生理清課程知識(shí)脈絡(luò)，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，有助于培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)歸納知識(shí)點(diǎn)的能力；仿真軟件的運(yùn)用能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用虛擬仿真學(xué)習(xí)工具的能力；基于“云班課”的考核評(píng)價(jià)借助信息技術(shù)平臺(tái)完成，在確保知識(shí)傳授、知識(shí)內(nèi)化與知識(shí)拓展有效開(kāi)展的同時(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。今后課程組將繼續(xù)在教學(xué)中持續(xù)改進(jìn)，進(jìn)一步提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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