基于CDIO理念的数字逻辑及其实验教学模式研究

及其实验教学模式研究基金项目：贵州师范大学2015年度省级本科教学工程建设项目，项目编号：2015JG15，合同号：2016第18号。

付苏嘉

摘 要：针对高校计算机专业“数字逻辑”课程教学的问题和现状，以CDIO理念为指导，改进教学方法，加强教师引导，推进“在做中学，学中做”，提升学生学习计算机硬件课程的兴趣，帮助学生提升设计数字电子系统的能力，从而获得更好的教学效果。为后续计算机组成原理课程打下基础，为学生适应计算机发展趋势提供动力。

关键词：数字逻辑；CDIO；教学模式；实验教学

一、 问题的提出

数字逻辑课程在教学中作为计算机硬件结构的重要课程，起着重要作用。作为先修课程，数字逻辑应为后继的“计算机组成原理”准备相应的逻辑电路设计知识、分析和设计技术。如何开展更为准确、具体的数字逻辑教学，将计算机硬件课程与软件课程的知识更好地融会贯通，提升学生对数字系统的综合设计能力，在当前的教学改革研究中，为后续课程奠定良好的学习基础，是一个迫切而重要的任务。

分析目前我院“计算机科学与技术”本科专业的数字逻辑及其实验课程的现状，主要存在以下几个方面的突出问题：

（一） 传统教学模式的不足

数字逻辑课程以“教师讲解+多媒体教学+习题练习”的方式进行教学。在整个课堂教学过程中，学生更多的是充当听众的角色，跟着教师的思路去理解、记忆相关的知识点，学生的“学”完全围绕教师的“教”来进行，这种传统的教师主动“教”的模式，只能带来学生被动“学”的困境。不可否认，传统的教學方法对学生快速掌握课程知识点具有显著的效果，但局限性也非常明显，多媒体教学演示方便，但演示的理论知识不够生动具体；课后习题先由学生自行完成，批改后通过教师讲解来解决，没有对知识点形成更形象的补充，学生很容易感到枯燥、厌倦，导致抄袭作业的现象严重。

（二） 实验资源配置不足，形式单一或过于简单

由于受到场地建设时间的限制，尚未建立专门的硬件教学实验室，实验教学曾经采用过“仿真实验”的形式，即使用仿真软件和VHDL语言，在台式计算机上模拟芯片的工作过程，使用软件查看芯片的工作波形（如图1所示）。这样的教学形式，对于更具体形象地理解教学过程，帮助并不明显。

经过相关教师的协调，课程采用了实验箱进行实验（如图2所示），学生无需自行设计制作芯片，只要进行连线即可设计出需要的电路，对于使学生快速验证和掌握理论课程的知识，有非常直观的效果。

但实验课程的教学方法主要是为了简单验证理论教学。学生一般只是根据实验指导书中的既有实验内容和步骤进行操作，并没有激发学生对该门课的学习热情，反之还降低了学生对实验课的学习兴趣。因此，如何提高实验教学的趣味性和深度，使理论教学得到更好的验证和支撑，是值得进一步研究的问题。

（三） 指导方法与评价机制受限制

由于缺乏设备，同时也受到教学场地和时间的限制，不仅是学生，教师自己也无法利用实验器材设计和制作更复杂、更有趣味性的实验，也就无法为学生提供更好的指导。

实验结果的评价方式，以两名学生为一组，提交实验报告的电子文档形式为主，教师批改后将意见反馈给学生。现有的实验内容都是基本的验证型、简单设计型实验，比较容易得出结果，教师也不会轻易给学生评价为不合格分数。在这样的现状下，不能精确判断，是否小组中所有学生都达到了预期的学习效果？是否存在偷懒“搭车”的学生？无法找出学生之间的差距和问题，也就无法激发学生的学习兴趣。

二、 课程内容的设计及实施

（一） CDIO教学理念

CDIO是美国麻省理工学院工程教育的一种经典模式，代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）。它以引导学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程为目的，是一整套符合工程科技人才成长规律和特点的教育模式，旨在培养全面发展的创新型工程科技人才。

（二） 数字逻辑实验形式和内容的改进

为促进学生学习的兴趣，提升设计电路、分析实际项目的能力，本教改项目组针对目前教学中存在的问题，拟构建一个基于CDIO教学理念的数字逻辑及其实验课程教学模式。

本项目的研究内容主要包括以下几个方面：

1. 教学和实验内容的改进

结合学生实际，改进多媒体课件内容，结合学生预习、观看教学视频、自行设计等多种方式相结合，淡化教师“全程讲解”的主导作用，加强引导和指导，鼓励学生学习数字电子技术的兴趣。

在有实验设备支持的情况下，对实验大纲上的内容进行改进，不仅是做基本的验证型实验、简单的电路设计实验，也可做复杂的综合型课程设计类实验，考查学生对软件、硬件知识的综合运用，对学生实践能力的提升，有较大的帮助。

2. 实验学习形式和考核形式的改进

积极引导学生主动思考，教师在实验中只给予必要的指导。在给出实验任务和实验要求后，教师只是告诉学生如何去分析，并不具体讲解实验任务。教师在实验中只是起到引导作用，使得学生减少了对教师的依赖，增强了学生的独立性。

加大综合设计型实验在考核成绩中所占比重，以便拉开差距，找出成绩优异的、更有兴趣进行现代电子技术深入研究的同学，并为建设数字逻辑精品课程做出准备。

（三） 教学实施中的具体措施

1. 在老生中进行调查问卷

在已学过数字逻辑课程的高年级同学中进行问卷调查，了解他们对课程的掌握程度和感兴趣的知识点，通过调查内容对低年级的教学计划进行修订。问卷内容包括以下几方面：学生对课程知识点的掌握程度、学生对现有教学情况的反馈、学生的学习兴趣和实施意愿，等等。通过对这几方面的不断总结，观察教学效果是否提升。

2. 制作实验视频，修订教学课件和实验计划

在老生中寻找一些对数字电路课程较感兴趣、掌握知识点较全面的同学，进行数字电路视频的制作。在制作和使用多媒体课件过程中，应注意把美学知识的运用，通过多媒体课件体现在课堂教学当中，把呆板枯燥的教学内容变得生动形象，有利于调动学生学习的积极性。同时在教学计划中，增加先播放视频、由学生预习的环节，进行实验后再由教师讲解实验注意事项，通过这样的方式，提升学生对课程知识点的关注，使实验环节更有趣，学习效果更好。

3. 考核方式的修改和细化

减少教材课后练习在作业中的比重，课堂作业次数不变的情况下，减少理论性题目的出题量，提高作业完成的真实性。在授课中引导学生积极思考，自主预习并完成实验，在实验报告中增加学生对实验过程和结论的更细化描述，以了解其掌握实验相关知识点的具体情况，并观察其对课程知识点的总结和表述能力是否提高。

三、 研究成果及内容小结

（一） 实验教学视频的制作

在2014级同学中，联系到8名同学进行数字逻辑实验的实验视频制作，实验设备采用的是由课题经费购买的“数字电路实验箱”，8人的视频分别从实验箱的基本使用、芯片的验证、组合电路的设计与实现、时序电路的设计与实现等方面，具体详细地描述了几个完整的数字逻辑实验的完成过程（如图3所示）。

基于CDIO理念，在“做中学、学中做”的思想指导下，14级同学在进行视频制作后，表达了他们在数字逻辑知识的掌握、语言文字组织能力的提升方面，都有了一定进步的情况。

（二） 实验大纲、实验内容的改进

在课程结束后，对14级和15级各45名同学的问卷调查进行了整理和统计（如表1所示），根据14级同学的反馈，对实验内容做了调整，将仿真实验改为课堂演示，对15级的实验内容作了一些调整，自选芯片设计任意组合电路的实验作了修改。

14级同学在教学中存在部分畏难情绪，对困难章节如“组合逻辑电路”“时序逻辑电路”等感觉学习困难，实验内容理解困难，实验完成效果好的人数相对较少，不少人存在“搭车”现象，小组里有一个能力较强的同学主要负责完成实验，其他人只负责记录实验结果，而不求甚解。

15级在总结14级的问题之后，实验教学情况有所改善。在对15级学习情况进行总结后，16级沿用15级的实验大纲，但在实验要求上对实验步骤和描述作了细化处理，在实验准备、芯片准备、实验过程描述和实验心得叙述上，都比15级更详细，完成质量更好。

（三） 综述：学生的进步以及存在的问题和不足

学生通过学习后自主完成了实验视频的制作，教师使用实验视频，教学效果取得了一定程度的进步。

通过提前预习与积极准备，使学生在对实验芯片的认识、实验过程的理解、实验报告的总结上，有了更深的体会。

根据学生对实验报告的完成情况，分析其完成质量，大致分为以下三个指标：

1. 按时完成：是否能够在规定时间提交实验报告；

2. 准确描述：是否能够准备描述实验步骤和实验结果；

3. 准确总结：是否正确书写实验心得，描述实验中遇到的问题和解决办法，并总结学到的知识点。

根据上述指标，下面列举了14-16级同学传统模式和CDIO模式下实验教学效果的对比，如表2所示：

实验结果表明，在教师全程指导的传统模式下，对于简单验证实验，不同班级实验结果相差不明显；对于复杂实验，在教师指导下，完成质量较高的同学人数较少。而使用CDIO模式教学下，最初学生会在预习时稍有不适应，后来逐渐适应并超过了传统模式，在后期较复杂的实验中，完成比例优于往届，取得了更好的效果。

将CDIO理念应用到数字逻辑实验教学中，提高了学生的动手能力、项目设计能力，增强了学生对于硬件课程的兴趣，初步培养了学生的创新意识和团队协作精神，教学效果良好。

问题和不足：实验设备和实验室的开放时间较少，造成对实验的理解和深入学习时间不够，没有完成更為复杂的数字系统设计。在今后的教学中会不断改进，继续探索。

由于受到实验学时和场地的限制，数字逻辑与“计算机组成原理”课程的衔接仍然存在问题，同学们在学习“组合逻辑电路”和“时序逻辑电路”时，出现理解困难，对后续的设计ALU和CPU的实验会出现认识不足的问题及畏难情绪，为了解决“学习搭车”现象，建议增加实验学时和场地的安排。

两门课程由不同教师授课，教师对课程的理解和把握各不相同，在实验的侧重点上可能存在衔接不良、导致教学内容脱节的问题，如有可能应让这两门课由同一教师授课。

四、 结语

在今后的教学中，我们应不断总结经验，改正缺点，根据计算机专业的课程特色，培养学生对计算机硬件课程学习的兴趣，不断加强学生对数字电子系统学习和设计的能力。在实验教学中强调自主预习，教师引导加强学习，前后课程紧密衔接的教学思路，提升教学效果，适应今后计算机科学发展的趋势。

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作者简介：

付苏嘉，贵州省贵阳市，贵州师范大学大数据与计算机科学学院。