基于科研项目的数字电路创新型实验教学改革

李 旭， 张为公

(东南大学 仪器科学与工程学院，江苏 南京 210096)



基于科研项目的数字电路创新型实验教学改革

李 旭， 张为公

(东南大学 仪器科学与工程学院，江苏 南京 210096)

针对“卓越工程师”的培养，在数字电路教学中引入以科研项目驱动的创新型实验教学环节，旨在培养学生的创新实践能力。该环节的实验项目是以科研项目为基础，在设计时应遵循有机融合、难易适中、创新实践的原则。在创新型实验教学环节的实施过程中，贯彻“教师引导，学生主体”的原则，充分发挥学生的主体作用与教师的引导作用，并采取结果性与过程性考核并重的考核评价方法。教学实践表明，该环节激发了学生学习的积极性和创造性，培养了学生分析解决实际问题的创新实践能力。创新型实验教学环节是对数字电路实验教学体系的丰富和完善，可在同类课程中进行推广。

项目驱动； 数字电路； 教学改革； 实验教学

0 引 言

近年来，为进一步贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》，我国实施了“卓越工程师教育培养计划”，这是我国高等工程教育的一项重大改革，旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才[1-2]。卓越工程师人才培养的核心是能力培养，关键点是与实践环节相结合，这对我国高校教学方式的变革提出了新的要求与挑战。因此，如何创新教育理念，探索教育模式，培养复合式、创新型、高技能的“卓越工程师”，成为当前工科专业各课程改革的目标和导向[3-5]。

数字电路是电类各专业的一门基础课程，在电类人才培养过程中具有举足轻重的作用。该课程的显著特点是基础理论与工程实践结合极为紧密[6]。在当前的教育模式下，数字电路实验教学往往独立于课程教学而单独设置，与课程教学分离。此外，现有的常规实验教学内容由于多种因素的制约，往往多年未曾变化或者变化较少，较为陈旧，且多为原理性或验证性实验[7-8]，与实际工程应用脱节较为严重，缺乏对学生工程实践和创新能力的培养。

以项目驱动的教学模式是建立在建构主义教学理论基础上，师生通过共同实施“项目”而进行的教学活动[9-10]。在以项目驱动的教学中，所选项目可以是教师根据相关知识点结合自己的工程经验人为设立的“虚拟”项目[11-12]，也可源于工程实践的科研项目。同“虚拟”项目相比，源于科研的项目通常具有更强的创新性、更好的系统性和完整性、更为明确的工程背景及意义，因此，对于学生创新实践能力的培养更有价值。

东南大学高度重视并积极推进相关课程的教学改革。笔者通过合理优化教学内容、调整教学体系，在数字电路的教学中引入了创新型实验教学环节。该环节是以科研项目为驱动，旨在培养学生创新实践能力和分析解决实际工程问题的能力，是对传统数字电路常规实验教学的补充和深化。改革实践表明，以科研项目驱动的数字电路创新型实验教学对培养创新实践能力强的“卓越”人才具有积极的推动作用，取得了良好的教学效果。

1 数字电路“三位一体”教学模式的新探索

在使学生掌握从事工程工作所需的基础及专业知识的前提下，应着重培养学生的基本素质、现代工程意识、学习能力、分析解决问题的能力、创新能力以及管理与沟通合作能力等，着力提高学生勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力[13-14]。

数字电路的教学改革应紧密围绕上述培养标准展开。为此，对数字电路课程的教学模式进行了积极的创新性改革探索，主要是在合理优化理论教学的基础上，强化实验教学环节，在常规实验教学基础上引入了以科研项目驱动的创新型实验教学环节。理论教学侧重于使学生掌握数字电路的基础理论和方法，建立起必要的知识储备；常规实验教学旨在巩固学生的数字电路理论知识，并培养学生初步的分析解决问题的实践能力；创新型实验教学环节旨在通过科研项目驱动的方式培养学生的分析解决实际问题的创新实践能力、团队管理与沟通合作能力，帮助学生树立现代工程意识，并使学生掌握更新数字电路知识的学习方法。

理论教学、常规实验教学和创新型实验教学三者相辅相成，共同构成了数字电路“三位一体”的教学新模式，如图1所示。其中，新引入的创新型实验教学环节处于该模式的最顶端，对于学生各方面素质的综合培养具有显著的优势，能够更好地促进卓越工程师培养标准的落实。

图1 数字电路“三位一体”的教学新模式

(1) 理论教学。在数字电路整体知识框架内，优化了教学内容与方案，对数字电路涉及的基本概念和原理，如逻辑代数、组合与时序逻辑电路的分析与设计原理，进行了削枝强干，将原来64学时的理论教学调整为56学时，综合运用启发式、探究式、研讨式等教学方法使学生在较短的学时内就能系统掌握相关理论知识。节省的8个学时主要用于新引入的创新型实验教学环节的开展。同时，在理论教学过程中，适时穿插讲授了数字电路技术的最新发展和自主学习方法，以便为创新型实验教学的顺利开展提供必要的基础：①结合案例讲授电子设计自动化技术EDA的应用(如Multisim、Quartus II等)以及复杂可编程逻辑器件CPLD的开发过程；②结合实例指导学生如何利用IEEE、Springer、中国知网、维普等国内外数据库中进行数字电路开发方面的文献检索，使学生掌握调研和自主研学的方法。

(2) 常规实验教学。数字电路常规实验教学对于巩固加深学生对理论知识的理解、培养一定的动手实践能力具有重要的作用。这类实验多以验证性设计为主，如基于小规模或中规模器件的密码锁、血型配型或全加器电路，基于触发器的广告流水灯或者抢答器，基于中规模器件的任意模计数器以及比较简单的综合设计实验(如时钟、交通灯控制等)。对于常规实验教学，为充分发挥学校电工电子实验中心的规范化运行和教学资源优势，我们仍然采取单独设置的方式，由学校电工电子实验中心来承担。

(3) 创新型实验教学。创新型实验教学是在理论教学与常规实验教学的基础上，通过以科研课题驱动的实验项目在一定范围内开展实施的。创新型实验教学的课内学时包括8个学时，主要用于实验项目的布置、阶段性检查以及最后的汇报展示等。而创新型实验项目的开展主要通过学生利用课外时间自主完成，即以小组团队合作方式，通过文献调研、方案论证、不断创新探索来完成。教师在此过程中主要起到引导作用，扮好“导演”的角色。此外，将创新型实验教学环节的考核成绩作为整个数字电路课程考核的重要组成部分，引导和激励学生积极参与。

2 实验项目的设计

创新型实验教学环节的前提和基础在于实验项目的设计，其优劣直接影响到教学效果和教学目标的实现。为保证顺利实施，在设计以科研项目驱动的创新型实验教学环节中，应注意以下原则：

(1) 有机融合原则。科研项目的目标并非为了教学。科研项目的特点在于具有明显的创新性和实践性，在于“研”；而教学的目的在于使学生掌握知识以及学习的方法，在于“教”。“研”与“教”的结合，不是简单的一加一的过程，而是要把握有机融合的原则。具体而言，就是要从数字电路实验教学的角度来重新分析、梳理科研项目的内容，从中寻找与课程内容的结合点和切入点，将一个个课程的知识点与项目有关内容结合、融合在一起，来形成涵盖课程知识点的创新型实验环节的项目。

例如，结合交通部重大科技专项“汽车列车安全性的评价”，针对涉及的数字电路知识点设立了“汽车列车码盘速度测量电路的设计”实验项目。该实验项目需要学生综合运用组合和时序逻辑电路的知识设计相应的测频或测周电路以便测量汽车列车车轮在制动时的速度变化情况，进而可用于对汽车列车制动安全性的定量评价。

(2) 难易适中原则。将科研项目引入到数字电路的实验教学环节中，还需从项目的难易角度对科研项目进行适当裁剪、抽取和派生来形成实验环节的项目，即难易适中的原则。就是要求设计的实验项目应充分兼顾学生已有的知识基础和接收能力，既不能过于复杂也不能过于简单。有的课题过于简单，则降低了教学质量难以实现教学目标，也难以激发学生的热情和积极性；有的课题虽然很有研究价值，但对学生而言过于专、深、复杂，学生难以理解和接受，甚至产生畏惧心理，起到适得其反的作用。

例如，结合国家科技支撑计划课题“营运车辆事故救援装备的开发”，设立了“道路综合救援车的警示灯循环控制电路设计”实验项目。原科研项目需要全面考虑拖曳、起复、牵拉、扶正、破拆等各种作业工况下的控制，较为复杂。考虑到难易适中的原则，在实验项目中只要求学生考虑2～3个工况，运用逻辑电路的知识设计相应的数字控制电路。并且对不同的工况进行组合，可派生出多个不同的实验项目。

(3) 创新实践原则。传统的数字电路常规实验教学多以“验证性”为主，是为巩固和加深学生对理论知识的理解、培养初步的动手实践能力而设置。这种实验项目对于巩固学生的理论知识具有积极的作用，但难于培养学生的创新实践能力。新引入的以科研项目驱动的数字电路创新型实验环节必须坚持创新实践原则，教师在实验教学组织过程中应避免将“答案”直接告诉学生，而是引导学生对没有直接“参考”的实验项目通过课外调研、深入思考、团队协作及不断尝试来加以解决，从而真正培养学生的创新实践能力。

根据上述原则，结合课题组在汽车电子及测控技术方面的科研项目，在不同的难易程度和功能组合下设计一系列创新型实验项目，满足数字电路创新型教学实验环节的需求。

3 实验教学环节的实施

利用设计好的实验项目，教师应根据课程进展及时组织实施创新型实验教学环节。在实验项目的实施过程中，应摒弃以教师为中心的“灌注式”教学，贯彻“教师引导，学生主体”的原则，充分发挥学生的主体意识，使学生在实验教学中能够充分发挥其探究意识和主观能动性[15]，解决实验项目涉及的实际工程问题。同时，在创新型实验教学过程中，应更加注意指导学生掌握自主式研学和解决实际工程问题的方法，培养学生利用数字电路知识解决实际工程问题的能力。具体而言，数字电路创新型实验教学的实施过程如图2所示，具体阐述如下。

(1) 创新型实验项目的布置。在学生较为系统地学习掌握了逻辑电路的设计过程后，教师就可以布置创新型实验项目。布置项目时，应提出明确的实验项目目标与要求，并对实验项目涉及的科研背景与意义进行必要的介绍与阐述，使学生明白该实验项目的实际工程意义，激发学生的兴趣。同时，通过启发式提问等方式引导学生思考实验项目与数字电路相关知识的潜在联系、可能的解决方案等。下面给出了一个结合国家自然科学基金项目车辆高容错多模型融合定位技术研究而设立的实验项目的布置内容：① 实验项目名称：“面向车辆导航的多传感器时序同步测量电路设计”；② 科研背景及意义：“基于多传感融合的车辆可靠导航定位对于实现车辆的准确诱导和安全运行具有重要意义……而多传感融合的前提是实现对各传感器输出信号时序的精确测量……”；③ 实验目标及要求：“各传感器均以数字量串行通讯方式输出，主要特性如下：GPS接收机Superstar(1Hz输出，另可提供1 PPS周期性标准脉冲信号)、六维惯性测量单元IMU(100 Hz输出)、SDI双天线航向测量仪(10 Hz)、KVH电子罗盘(10 Hz)。请综合运用所学的数字电路知识设计同步测量电路实现对六维惯性测量单元IMU、SDI双天线航向测量仪和KVH电子罗盘中的一个或多个输出信号与GPS输出信号之间时间差的准确测量。”

在布置该实验项目时，除系统介绍该电路设计的科研背景、工程意义、实验目标及要求外，还积极启发引导学生思考可能的解决方案——是否可利用GPS提供的1 PPS脉冲作为测量基准，另外提醒学生可先利用EDA软件进行仿真设计验证，再进行实验设计。

(2) 以学生为主体的自主探究。在自愿组合的基础上将学生分为3～5人的小组，以小组为单位并主要利用课外时间开展创新型实验项目。小组成员首先通过充分的讨论明确实验项目的重点和难点，接着进行资料查阅与文献调研，再通过小组内的分析论证确定实验项目的实施方案，并明确各阶段的任务目标以及每个人的具体分工，最终通过小组的团结协作、积极探究和实践探索来完成创新型实验项目的任务要求。

在学生开展创新型实验项目的过程中，教师应注意提供充分的实验条件保障。这方面可通过下面的途径来解决：首先可以利用教师课题组的实验室资源。实验室先进的仪器设备以及研究生较为丰富的实践经验能为学生开展数字电路创新型实验项目提供较好的保障和引导，并使学生能够较早的接触到科研项目的氛围，有助于促进学生思维的拓展和自我认同意识。另外，工科院校目前都建有完善的电工电子实验教学中心，多数都设有开放实验室，应鼓励学生充分利用这一资源开展相关实验项目的研究。就东南大学电工电子实验中心而言，作为国家级实验教学示范中心，目前已具备较为完善的电工电子实验教学仪器设备，形成了灵活、开放的实验教学保障体系，学生可通过网络预约等手段自主开展相关实验，这为开展数字电路创新型实验教学提供了极大的便利。

(3) 教师全过程的积极引导。在创新型实验教学的实施过程中，教师应注意跟踪整个过程。在学生遇到困难或失败时要不断鼓励他们正确面对，同时为他们明确努力的方向，提供参考的建议，起到积极的引导和启发的作用。在引导中应注意教学生“如何进行研究”，避免给学生直接的“答案”。对学生遇上的共性问题，由教师统一进行引导答疑；对个案问题可单独引导。另外，充分利用现代通讯手段，如QQ群、E-mail邮箱等，及时指导学生。

(4) 阶段性检查。为了能够准确掌握各小组的进展状况，应进行阶段性检查。由各小组以书面或者课堂讨论的方式汇报最新的进展状况，教师对各组的研究方向和进展状况进行把关，对进展顺利的小组进行鼓励，对进展缓慢的小组进行督促。结合检查情况，教师指出每个小组的不足并给出进一步提高的建议，确保他们都能在规定时间内完成项目。在创新型实验教学环节的实践中，我们主要组织两次阶段性检查。

(5) 创新型实验教学的考核评价 。课程临近结束时，在课堂上以小组为单位进行创新型实验项目的汇报及成果展示。实验项目的汇报以PPT形式进行，内容应包括团队介绍、背景知识、实现过程、实现效果和心得体会等，接受老师和其他小组成员的质询与讨论，并提交规范性的实验报告。

在考核评价中，应避免仅以实验报告定成绩的方式，采取“结果性”与“过程性”考核相结合的方式。既注重学生的实验报告成绩，又关注学生在创新型实验教学过程中所体现的态度、工程实践能力和团队协作意识等。在过程性考核方面，对考核指标进行合理量化，包括阶段性检查、实验项目的汇报展示及完成情况、团队合作情况等，其中团队合作情况主要由小组成员的自评和互评来确定，以激励学生不单纯为了分数而学习，而更侧重于对学生综合素质和创新能力的评价及引导。另外，在汇报展示环节教师可针对每个人的任务分工设置相应问题来质询，以考察每个成员真正的参与程度及完成情况。创新型实验教学的最终成绩主要由四部分组成，具体考核评价内容及标准如表1所示。

表1 创新型实验教学环节考核评价内容及标准(按时间)

4 结 语

这些改革与实践是对传统数字电路常规实验教学的有益补充和深化，较好地激发了学生的学习兴趣、主观能动性和创造潜能。很多参与的学生反映通过该环节的学习，为他们学好其他相关课程以及参加大学生科研训练计划(SRTP)并取得好成绩等奠定了良好的基础。

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Reform of Innovative Experimental Teaching of Digital Circuit Driven by Research Projects

LIXu,ZHANGWei-gong

(School of Instrument Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To cultivate “excellent engineers”, an innovative experimental teaching driven by research projects is introduced into the teaching of digital circuit course. Its main purpose is to make the students obtain the innovation practice ability. Based on research projects, experimental themes of the innovative experimental teaching are designed according to the principles of "orderly integration, moderate difficulty, and innovation practice". During the implementation of the innovative experimental teaching, the students play the principal role, whereas the teachers play the guiding role. The test evaluation is determined by both the process behavior and the final result. Teaching practices showed that it can stimulate the students' enthusiasm and creativity, and can cultivate their innovative and practical capability to solve practical problems. The innovative experiment teaching introduced in this paper enriches the experiment teaching system of digital circuit course, its experience can also be popularized in other similar courses.

project driven; digital circuit; educational reform; experimental teaching

2014-06-12

国家自然科学基金(61273236)；国家科技支撑计划重大课题(2009BAG13A04)；东南大学校级教学改革与研究项目(2013-153)

李 旭(1975-)，男，河南南阳人，博士，副教授，从事数字电路的教学研究以及汽车电子科研。

Tel.：13601463199；E-mail：lixu.mail@163.com

G 642

A

1006-7167(2015)01-0168-04