新工科背景下数字电路教学方式的改革与实践

张志勇 张建锋 黄铝文

摘  要：在对传统工科课程进行升级改造的新工科背景下，为解决专业基础课时数减少的问题，提高教学效果，文章利用案例式、项目驱动和课程思政等多种教学手段，在锻炼学生动手能力前提下，以看得见的现象和摸得着的结果为抓手，结合理论知识因地制宜地开展电路仿真，辅以针对性较强的问题思考与课堂练习，增强学生主动学习数字电路的积极性。推进以学为中心的多种教学方式的改革与尝试，对建设新工科、促进“课程和工程”融合和培养新一代电路人才具有重要的推广与应用价值。

关键词：新工科；项目驱动；课程思政；案例式教学

中图分类号：G642    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2023）26-0101-04

新工科是传统工科专业进行升级改造而产生新兴事物，旨在培养学生的工程实践能力，知识快速获取能力，创新能力、创新创造能力、知识综合与集成能力，全球视野的领军人才［1］等方面具有巨大应用前景，对目前工科教育的教学方式创新带来了新挑战。当前，西北农林科技大学在数字电路教学中的教学理念、课程课时、师资、实验基础等方面与新工科存在一定差距，仍然以“教”为中心，由教师主导课堂，组织和控制教学过程，数字电路的教学内容既无法支撑产业转型升级和区域经济发展，也不能适配产业发展方向，主要表现在以下几方面：

第一，工程实际与理论教学交叉性差，既不能相互促进，也无法满足产业升级与学科发展需要具备的综合素质人才要求［2］。

第二，教师在教学方式上基本上依靠“一份PPT、一支投影笔、一本教材、一本教案、老师台上讲、学生座下听”的单一化课堂教学方式，考核手段仍然以期末试卷为主。“教法”无法较好的影响“学法”，造成学生习惯“照葫芦画瓢”，充当知识的被动接受者，教师教什么，学生就学什么。

第三，在实践环节中，验证性实验居多，进行探索性与自主创新性的实践内容较少。

第四，在学时减少、课时压缩后，学生每课时要求接受的知识量增多，导致相关的概念理解吃力，教师也没有很好地把握专业特点，加之课后习题讲解没有时间保证，势必导致部分学生平时不认真学习，使学生在学习过程中出现动力不足、混学分、厌学等现象。

随着新工科计划的实施和新工科理念的逐步渗透，在满足教学内容和教学方法的多样性和新颖性的前提下，不断加强多学科交叉、理论结合实践应用等方面的探索研究，更需要引领本科生早进课题、早进实验室、早进团队参与科研活动［3］。对于体现实践性、工程性与应用性的专业基础课程数字电路教学，还需要在加深对大纲知识理解的前提下，提高学生课堂参与度，把所学内容“活学活用”，实现理论教学与学生自主项目驱动的有机融合与闭环反馈，在突出注重授课内容实用性的前提下，把课程侧重于分析和设计的特点以问题的形式引出，以虚拟仿真或实验室实操为主线，提出问题，凸显项目驱动分析并解决问题，实现实践实作与理论教学的平滑连接，以解决在新工科背景下把单纯知识灌输传授改变为启发式授课的难题。

一、数字电路教学方式改革与实践

在新工科背景下，数字电路理论教学是熟悉、领会电路主要分析和设计方法的基本教学环节，为应对当前大学生思维活跃、个性突出、需求多元的特点，需探索高效的理论教学模式和教学方法，形成“以学生为中心”的教学理念［4］，完善提高课程质量教学的手段。文章在教学过程中融入一系列探究性教学方法，在不断提升教师人格魅力的前提下，针对计算机类且生源质量较高的本科生，交叉运用案例教学、项目驱动教学、课程思政的融入等进行理论教学，提高课堂效率，提升学生持续学习的动力，助其将所学知识付诸实践并快速转换为自身能力。

（一）提升教师的人格魅力

教师的人格魅力体现在“以情感人、学高与身正”。“学高”，不只是要求教师要有广博的学识，还需要具备较为丰富的人文修养，针对学生的专业学科特点，坚持以教师为主导、学生为主体，教学为主线，突出在讲练结合的数字电路课堂教学中展现自身人格魅力。彰显教师在潜移默化中感染和影响学生的理想信念、知识能力、学识水平、品质修养等人文素质［5］。首先教师要刚柔相济，充满亲和力地与学生沟通，与学生良好互动，努力感染学生的内心，使学生喜欢上老师，喜欢上老师的数字电路课堂；其次要不断学习，用新知识提升学识魅力，在教学过程中充满自信，满怀激情，教师丰富科学文化基础知识和精深专业学科知识，既能理论联系实际地向学生传授知识，又能风趣幽默地激发学习兴趣，使课堂保持求知的积极性；再次在问题处理上，教师展现智慧和包容魅力，在课堂上常会出现影响教师教学的情况，比如学生玩手机、睡觉等，在遇见这类问题时，教师可以根据频率和时长采取理解、微笑提醒和站在后排听课的方式处理。鉴于问题总是在实践中不断出现，方法总是在实践中不断悟出，经验总是在实践中不断积累，人格魅力的提升也要在实践中不断地完善与提高。

（二）案例式教学法

案例教学法是通过经典案例分析、讲解、讨论等环节加深学生理解复杂问题的一种经典的教学方法。为满足学生学习数字电路的好奇心，有效理解较为抽象的逻辑知识，加深理解相关时序逻辑电路设计步骤［6］，可根据数字电路知识体系、计算机领域应用和当前电路热點问题构建生动有趣的案例教学。例如识别并绕开障碍物的智能机器人，依靠前端的视觉传感器可以在布满障碍物的环境里自由行走。当遇到障碍物时传感信号为1，控制信号Z1和Z0控制脚轮行走以此实现机器人转向。在避障规则的指导下实现左转、右转和直行，试用D触发器设计一个机器人行走方式的避障控制器的教学案例，增强课程的趣味性；又如为提高道路交叉口车辆的通行效率、缓解交通堵塞，解决交叉口在车流量相差很大时产生空等待的问题，提出以两相位十字交叉口为对象，用Verilog HDL硬件描述语言在Quartus开发环境中设计信号灯控制模块、分频模块、译码显示模块，利用QuartusⅡ13.0软件进行综合测试，对交通控制系统进行功能仿真的交通灯控制器设计，丰富案例教学的内容。学生通过聆听、思考并交叉运用提问、交流等方式加深理解同步时序逻辑电路设计方法，培养学生的逻辑思维能力，将经典理论知识与前沿研究内容深度融合，创造生动活泼的课堂气氛激发学生理解数字电路相关知识的兴趣，平等的互动交流催生了学生的创新思想的火花［7］。不断运用上述案例，持续引领学生探究新知，将按部就班的课堂教学过程转变为明确的任务实现过程，在理论教学和动手实践过程中培养学生的工程应用能力和创新意识。

（三）探究式教学法

为增强学生对逻辑电路的分析能力、设计集中规模逻辑器件应用的能力，项目组提前将设计好的教学案例和案例思考发给学生，便于教师在课堂上引导学生主动思考和学习，科学合理安排学生讨论和师生互动。“探究”作为一种科学有效的教学方法，主要对理论性较强的内容，采用知识点融合案例的教学形式，更有利于学生理解相关课程知识点［8］。例如在前面章节已经学过的复合门设计全加器电路，在讲授中规模集成组合逻辑电路的内容时，可以先抛砖引玉，使学生思考是否还能用其他逻辑部件来实现加法器电路，由此引出本节将要学习的加法器74290、译码器74138和数据选择器74153等中规模逻辑器件及其相应的芯片逻辑电路。接续提出译码器和数据选择器的定义为什么能实现上述加法器电路设计等问题。首先依据功能表与逻辑符号详细讲授其逻辑功能，然后通过例题讲解与复合门结合实现逻辑电路功能的设计过程，学生不仅收获了消除疑问的喜悦，也掌握了采用多种方案实现同一逻辑问题的组合逻辑电路设计方法。该探究式教学方法通过分析问题、主动学习、理解问题、解决问题等环节的引入，不仅能开阔学生视野，还能加深学生对理论知识的理解，提高学生的探究能力和创造能力，充分发挥其主动性和积极性，为后续驱动项目的教学做好铺垫。

（四）项目驱动教学法

项目驱动教学法强调学生以任务为学习的中心，在执行任务过程中去讨论、分析、解决问题，是培养学生小组协作能力的有效教学方法。需要从学生的视角设计教学项目主题，包含选择、方案设计、所需材料的选取等［9］，在实施过程中以学生为主体来设计与选择，教师不包办代替、不提供直接的解决方案，学生要从自身生活的经验世界中，利用所学知识，寻求解决方案。该教学方法让教师围绕着一个核心知识点，进阶式引导学生在课前进行调研，将所学的理论知识融会贯通，自主设计一个完整的系统，再搭建电路与系统仿真并完成系统实现。项目实施中，按照个人的意愿和特长允许学生3人一组在团队中发挥各自的作用，相应负责电路理论分析、电路设计、电路制作。团队在时间允许前提下，鼓励对数字电路设计感兴趣或实践能力较强的学生掌握学习的主动权，利用仿真技术搭建虚实结合的电子课程实验平台，升级项目难度并为项目考核加分。在项目考核内容方面，需要体现原理与方案选择的课前调研；体现出系统功能的构建方法和电路设计的自主创新；体现出规范的设计报告所包含的测试过程、数据分析与仿真结果。上述三种体现反映了全方位、多角度的考评机制，在破解过去学生被动等待教师传授知识的难题，在逐步培养学生的创新思维和综合实践能力，使学生探索主动寻求知识融合的方式方法，锻炼学生的沟通和管理能力等方面，均有重要的现实意义和实践探索价值。

（五）践行课程思政

将思想政治教育融入课堂教学，是目前教学改革中的重要热点。数电课堂中如果能够潜移默化地将表面冰冷的概念、定律和方法中引发出智慧光芒、深层次哲学和人文思考，将科学知识蕴涵的美丽思考呈现给学生，使学生沐浴深层次、高质量、全方位教育春风，这也是大学教师对“传道、授业、解惑”的高境界诠释［10］。基于以上教学理念，凝练思政元素步入数字电路课堂的教学实例，详细阐述如何将数电知识与做人、做事相结合，增强服从意识，达到“教书重在育人”的教学目标。在数字电路教学中，鉴于时钟在数字电路中扮演同频同步各种信号的功能，因此各输入信号、逻辑单元等状态出现与更新都以时钟为基础发挥指挥棒的作用。同样，学生在集体生活和学习中，只有统一时间节点与号令，大家才能步调一致的有序运转，体现出什么时间段出现什么状态（该干什么事情）的人生哲学。在讲解触发器时，先讲述所有的触发器之间都一脉相承，均在闩锁电路的基础上产生，触发器之间可以相互转换，如果身边没有JK触发器，可以用D触发器代替，故以此告之学生，同样与我们同承一脉的兄弟姐妹，他们身上不仅有相似的优点，而且还有值得重视的性格缺陷和其他缺点，故不仅要相互珍惜，更要加强沟通与联系，要以开放、包容的姿态对待他们，切莫因为小事而指责与否定。

二、数字电路教学方式课程教学改革思考

在“新工科”背景下，建立以应用为主线，运用典型系统的案例分析、项目驱动训练的多种教学方法的交替综合，既可以鼓励学生利用开放实验室，激励学生借助网络自学平台解决面对新工科自学能力欠缺的问题，还可以摆脱传统教学中的学生系统设计能力弱、动手能力差的问题。反观近5年的教学实践，学生对教学与实践相结合的数字电路课程非常感兴趣，在项目实施中所投入的精力和时间已远远超出课程的要求，产生了明显的教学效果。开放实验室的有效利用，使得项目驱动做到了项目时间、项目内容和项目器材对学生的真正融合，使学生能够将理论与实践结合、课程前沿与经典结合、课内与课外相结合，将耳闻（授课听课）、目睹（课堂演示）、手动（学生做实验）、完成项目的经历有机结合起来，突出重点，以点带面，在促进学生充分阅读教材，查阅学习网络资源，提升语言表达与合作能力，完善编程等实践能力方面激发更多潜能。学生评教显示，项目式教学使教师给予了学生更个性化的指导，有针对性地弥补了学生能力的短板，学生对教师的教学态度评价高，学生的学习获得感强，学生动手实践的热情，工程实践的能力以及探究和创新精神的培养，让学生在“干中学”。课程思政帮助学生在潜移默化中熟悉了分析与设计方法的运用，提升了对知识点的理解，扩展了知识的外延，升华了做人做事的道理，与项目式教学深度结合构成了数字电路课堂融入新工科教育的重要教学改革手段。

三、结语

文章在西北农林科技大学新工科建设背景下，以不断提升教师人格魅力为前提，通过多种教育方法融合思政教育，使学生更快、更好地领会电路理论，锻炼动手能力，唤起学生对数电课程的好奇心，激发学生主动探索电路相关研究领域知识的热情，特别是项目式驱动教学改革应用已经成为学校授课教师的共识。根据针对性较强的问题思考和课堂练习，结合理论知识循序渐进地展开课程设计、电路仿真，形成以课堂主体、网络为驱动平台、开放实验室为载体的协同教学模式，探究以学为中心的多种教学方式的改革与尝试，在“新工科”建设中对新一代电路人才培养具有重要意义。相信面向新工科内涵的数字电路教学方式的构建与实践，将会得到更多教师和学生的认可。

参考文献：

［1］ 孙英浩，谢慧. 新工科理念基本内涵及其特征［J］. 黑龙江教育（理论与实践），2019（Z2）：11-15.

［2］ 张蕾，李平，柴俊武. 新工科背景下项目式教学提升翻转课堂教学研究［J］. 電子科技大学学报（社科版），2020，22（06）：107-112.

［3］ 曾勇，黄艳，向桂君，等. 从新生项目课开始：新工科建设“成电方案”的设计与实践［J］. 高等工程教育研究，2020（01）：14-19.

［4］ 鲍培明，吉根林. 新工科背景下计算机系统能力培养实践探索［J］. 软件导刊，2020，19（12）：5-9.

［5］ 林伟，李彬，杨莉，等. “互联网+”下电工电子技术基础课程教学改革与人文素质培养［J］. 中国现代教育装备，2021（21）：98-100.

［6］ 陈华华. “电路分析实验”教学方法改革与实践［J］. 黑龙江教育（高教研究与评估），2018（09）：1-2.

［7］ 王党生，李国宝. 讲座式教学法在物理化学课程中应用［J］. 山东化工，2013，42（11）：157-158.

［8］ 毛齐明，王莉娟，代薇. 高校翻转课堂的实践反思与超越路径［J］. 高等教育研究，2019，40（12）：75-80.

［9］ 张蕾，李平，柴俊武. 新工科背景下项目式教学提升翻转课堂教学研究［J］. 电子科技大学学报，2020，40（12）：75-80.

［10］ 张文谦，杨俊杰. 新工科背景下制药工程专业中药化学课程融入思政元素的探索与实践［J］. 化工时刊，2021，35（11）：51-53.

（责任编辑：胡甜甜）