应用型本科院校数字电路与逻辑系统教学改革实践

摘要：应用型本科院校的《数字电路与逻辑系统》课程作为学科建设的重要基础课程之一，不仅需将培养人才的目标定位于应用型人才，体现出对专业培养目标的支撑作用，还需要与工程实践相结合，培养理论基础扎实、实践能力强、符合市场需求、适应社会发展的高素质应用型人才。

关键词：应用型本科院校;新工科;数字电路;教学改革

一、引言

《数字电路与逻辑系统》（以下简称《数电》）是电子信息工程、电气工程及其自动化、计算机科学与技术等工科专业的重要专业基础课程，也是一门发展迅速、实践性和应用性很强的课程。该课程在电子类、电气信息类、计算机类专业人才培养方案中起着承上启下的重要作用，它以电路分析、模拟电路等课程为基础，其主要任务是让学生获得数字电子技术的基本理论、知识和技能，培养学生分析和解决实际数字电路/系统问题的能力，为后续学习可编程逻辑器件与VHDL、微机原理、计算机组成原理、单片机和嵌入式等专业课程打下基础。

在国家战略方面，随着集成电路、物联网、5G等产业的发展，使得对相关人才培养的重要性提升到前所未有的高度，巨大的市场需求也使得人才需求量不断上升。针对应用型本科院校发展方面，随着“新工科”及新一代信息技术产业的发展，地方本科院校承担着培养应用型人才的重任，要求培养出的人才应具有较强的实操能力和工程能力。

二、《数电》课程现状分析

《数电》作为工科类的专业基础课，对学生的工程意识、工程能力与工程创新精神的培养起到承前启后的作用。但目前《数电》课程的授课方式，多数还停留在传统的讲授方式，虽然也有老师将教学内容进行实例化、情景化的改革，但对学生的实践能力的培养，始终还不能充分衔接，往往出现理论课程与实验课程内容脱节，或仅进行验证性实验、缺少相关的系统性项目实践的问题。因此在以往的课堂中，教师往往扮演着课堂教学的主体角色，而学生处于被动受教的状态且缺乏自主思考和探究的过程，不足以激发学生的兴趣，也就不能带动学生对知识进行独立思考;同时，学生缺少动手实践的机会，对工程素质、创新能力的培养十分有限。目前我系《数电》仍主要使用传统教学内容与方法，但此课程是一门实践性和应用性很强的课程，它不仅与后续课程《可编程逻辑器件与VHDL》的教学内容衔接紧密，并且两门课在数字系统的分析方法、项目设计思路上由浅入深、循序渐进。因此，在《数电》课程阶段进行项目化重构与教学方法、教学评价改革，使学生更早建立对工程项目从无到有的实战练习，对后续课程的顺利开展与学生工程综合能力的提升，具有十分重要的意义。

三、《数电》课程改革思路

（一）教学内容模块化

并以培养学生综合素养与动手能力为主线进行项目设计，开发具有工程特色的课程体系。对原有理论内容进行模块化重构，并在此基础上，针对不同知识模块的内容特点与理论讲授型教学现状，采取项目驱动与工程情境驱动教学相结合，使用Multisim软件（具有丰富的芯片库与测试仪器仪表）进行虚拟仿真实现，并配合使用Quartus II软件与FPGA口袋实验室硬件仪器进行硬件项目实现。

（二）以学生为中心

初步建立以线上资源与教师自有资源为主体，学生课前线上学习、课堂线下讨论的混合式教学模式，促使学生在有限的学时内提高学习效率，培养探索、创新的能力。针对以目前教师为中心的教学模式，通过翻转教学、项目驱动、仿真实验等方法，逐步建立学生在学习过程中的主体地位。

1.以电子信息工程专业为初期实施对象，整合《数字电路与逻辑系统》课程的线上教育教学资源，同时根据个性化需求建立教师自有微课资源，通过SPOC平台进行碎片化资源整合。

2.根据课前学习任务，通过数据监控与配套测试实时掌握学生预习行为与预习效果，并针对课前学习出现的问题与模块化内容的教学设计进行部分翻转教学。

3.课堂教学过程中注重系统性与拓展性，启发主动思考、扩展思维，结合工程实践进行内容扩充，并在项目设计过程中传递CDIO（构思Conceive-设计Design-实现Implement-运行Operate）思路，培养工程思维与职业素养。

4.细化完善考核评价体系。鼓励学生开展讨论与互评，同时将SPOC平台的数据与学生线下的表现结合，同时引入企业评价，对学生的综合表现进行准确评价。

（三）以产业需求为导向

以实战型教师为主干，初步建成一支具有较高教学水平和较强实践能力、结构合理的“双师型”教师团队。改变“在规定学时和教室内，仅仅讲授没有错误的知识”这一以教师为中心的教学现状，鼓励教师探索新知识，结合工程实践，并形成适合本院学生的教学内容与教学方法。提高教师自身素养与能力，通过参与科学研究、行业会议、挂职锻炼等方式，探索新知识，并结合工程实践，优化并形成适合本院学生的教学内容与教学方法。

四、《數电》课程改革实践

（一）教学内容改革和教学体系改革

1.明确课程定位

《数电》课程的能力培养目标为提高学生的逻辑思维与数字系统设计能力。在理解专业人才培养方案（2019版）的基础上，进行行业、企业调研，根据行企需求明确《数电》在电子技术、电气信息、计算机类专业就业过程中的细节需求与其他专业课程之间的联系点。站在学生未来能力培养的角度，对学科与行业领域整体进行凝练。

2.教学内容优化

相对于有限的教学课时，课程的知识内容非常庞大，如何形成有限学时内的《数电》课程内容体系，需要进行教学内容、资源的有效选择与整合。

恰当使用开放精品慕课资源，配套建立与慕课资源相对应的引导性测试;根据学生课堂的表现与反馈，针对部分课时内需要弱化，但又作为重要基础知识的内容制作相应微课视频以补充学生课前、课后阶段的学习所需。线上微课的设计主要包括以下三个使用场景：

重难点讲解：利用碎片化资源讲解知识点，以动画演示的方法将抽象的内容演示出来，达到较易理解的效果;同时及时引导学生思考，达到举一反三的学习效果。

理论与实践一体化教学：强调理论与实践的交替进行，着力培养学生的动手能力和专业技能，可充分激发学生的兴趣。尤其是在软件操作、硬件设计学习初期，学生可以通过模仿老师的操作，进行高效学习。

对课上内容的补充与完善：针对学生在预习、课上学习过程中产生的问题，课上讲解之后学生仍然存在问题的内容;综合设计或讨论之后，学生仍存在疑惑的知识点，可通过微课教学设计，用不同角度引导学生进行查漏补缺。

3.课程内容模块化构建与实施

对原有理论内容进行模块化重构，针对不同知识模块的内容特点，设置综合项目，再对综合项目采取项目驱动与工程情境驱动教学方法相结合，使用Multisim软件（具有丰富的芯片库与测试仪器仪表）进行虚拟仿真实现项目设计，并配合使用Quartus II软件与FPGA口袋实验室硬件仪器进行硬件项目实现。

（二）教学方法和教学手段改革

在明确课程定位的基础上，采用多元化教学方法，将理论与实践结合，线上与线下融合，课前、课中、课后内容层层递进贯通，使学生掌握知识的同时，培养工程思维与项目的执行能力，从而实现CDIO的培养目标。教学过程中，主要采用Multisim软件进行数字电路的设计与仿真;亦可根据各专业需求，选择EDA软件Quartus II進行系统级仿真，为可编程逻辑器件与硬件语言VHDL/Verilog课程的学习打下基础。主要教学方法有：

1.翻转课堂教学法

学期初期，考虑到学生预习自觉性普遍较低、学习能力较弱、语言表达较弱的实际情况，本阶段重点培养学生对知识点的挖掘能力与对知识的初步运用能力。学生通过完成以概念性引导性为主的测试，检验预习效果。教师引导学生对各章/模块内容构建思维导图，初步培养学生的总结归纳能力。通过“接龙”形式，在学习群进行测试题/习题的解答分享，促进学生对“小翻转”教学方式的熟悉，同时巩固对基础知识的掌握。学期中后期，在学生逐步养成提前预习、主动思考的习惯后，延续线上预习+测试的学习形式，同时注重培养学生对知识点的挖掘与应用能力。课堂上逐步加深对知识应用难度，并对部分知识开展翻转教学，引导学生逐渐自主思考、讨论、解决问题，教师负责提醒、补充、总结，实现部分内容的翻转与难度提升。学期后期，学生各方面能力进一步提升之后，重点培养学生的工程综合能力，进而实现CDIO的培养目标。在项目式教学的课堂中，学生可向大家介绍自己的设计方案，学生之间也可互相评价或质疑任何方案，教师最终可通过学生的项目设计与互评进行点评，并评选出优秀的方案。

2.项目驱动教学法

项目驱动教学法主要以培养学生综合实践和创新能力为目标，按照项目管理的原则与思路，学生在教师的指导下完成一个相对独立的项目。课程配套项目涵盖5大模块：逻辑代数基础与逻辑门电路;组合逻辑电路分析与设计;触发器与应用;时序逻辑电路分析与设计;555定时器。分别配合数字系统中常用、实用的功能模块，如：表决电路、编码器与译码器、抢答器、多模计数器、报警器等，教师只给出简略的项目实验方案，学生通过所学知识或查询资料的方法，明确项目涉及的系统模块与芯片，通过Multisim仿真软件或Quartus II软件构建数字逻辑电路，并完成电路的设计与调试。

3.案例教学法

由生活中的实际案例驱动，引导学生从现象到本质进行探究，从基础概念到实际运用进行思考，由案例中的需求分析过渡到电路设计的需求分析;同时启发学生思考哪些部分还可以优化，再运用深度教学方法引导学生继续优化设计。例如：用CMOS芯片74HC4511实现时钟显示电路，首先让学生自主预习显示译码器芯片的工作原理，并根据之前阶段培养的资料查阅能力，对芯片各管脚功能进行分析，再根据实际案例进行设计需求分析，进而选择所需芯片进行电路设计;基础电路设计完成后，还可继续引导学生结合生活中的实际运用，继续优化设计，熄灭高位的“0”。

4.情境教学法

在教学过程中，有目的地引入或创设形象生动的具体场景或课程思政，以引起学生的情感体验，让学习自然发生，进而帮助学生理解知识内容，并促使学生对系统模块间如何关联进行思考，提高教学质量。例如：如果你是一名志愿者，面对疫情中口罩需求的激增，如何帮助口罩生产商家按一定数量进行口罩分装？这就需要设计一个计数器，并将口罩数量实时显示出来。并流水线及生产过程的实际场景，让学生了解各个模块及所需芯片，拓展相关知识的广度。

5.分享教学法

线上教学资源使学生能够随时随地自主学习的同时，也带来了使学生感受不到线下教学中实实在在的学习氛围这一问题，使学习孤独、难以坚持。分享教学法的主要目的是引导学生把学到的内容“讲出来”，例如，通过SPOC平台的话题讨论，微信群“接龙”分享、综合项目的知识分享课等，同时可将线上预习成果检测、易混淆概念思辨、扩展性知识点、习题/测试题或主观题等融入其中，促进同学之间分享知识、交流学习经验的热烈氛围。

（三）教学评价改革

针对重构的教学大纲与教学内容，建立多元化考核指标，构建完整的过程评价体系，建立学生自主驱动学习的文化氛围。

教师教学工作评价：定期调查问卷，任课教师互相听课、开展教学讨论等，企业参与评价。

学生学习效果评价的细化与升级：

1.细化20%考勤与30%过程考核量化指标，将出勤率考核升级为课堂参与度（课堂互动答题）与掌握程度（课堂互动题目正确率）考核;将作业考核细化为多种形式的过程考核，如：阶段性测试、预习完成度、视频观看个数、参与话题研讨次数与质量、主观题同伴互评的综合表现等。

2.知识考核向能力考核转变。将知识放在具体场景中，让学生应用理论知识来解决具体问题。例如，将部分较为综合的课后作业由传统习题升级为数字系统的设计问题，鼓励学生使用工程思维解决问题。同时配合模块化内容和基于项目的教学方法，对主观设计内容构建开放性评价体系，采用小组讨论与互评的学习和评价方式，对学生的表现进行基于CDIO的综合评价。

五、结束语

通过对《数电》课程的教学实践，近两学期已将部分改革内容实施于电子信息工程专业的学生。经专业主任教师、教研室主任、教研室教师听课反馈良好;通过阶段性学生问卷调查，学生反馈基本可以适应现阶段教学内容与教学方法的调整;通过SPOC平台后台数据反馈，学生的预习自主性、预习测试效果、课堂互动效果、课后知识分享情况良好。通过配套实验课程、课程设计课程、学科竞赛等方式的开展，印证了通过本课程应用型模式实践，逐步培养了学生的自主学习意识与能力，逐步提升了学生工程实践能力与创新意识。同时，学生对课程内容的兴趣、对学科拓展的能力均有一定程度的提高，初步实现了“应用型”人才的培养。

作者单位：邵璐    宁夏大学新华学院

参  考  文  献

[1]张勇，程晓红，王昱洁，等.“新工科”背景下人才培养模式探讨与实践——以电子信息工程专业为例[J].工业和信息化教育，2020（12）：1-4.

[2]成宝芝，陈立勇，王健，等.应用型本科电子信息工程专业实践教学体系建设研究与实践[J].大庆师范学院学报， 2019，39（03）：113-116.

[3]毕杨.新工科背景下应用型本科院校电子信息工程专业课程体系改革探索与实践[J].高教学刊，2019（11）：143-144+147.

[4]晋春，张佳，李锋.“数字电子技术”课程改革的探索与实践[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2016（01）：51-52.