基于工程教育理念的数字电子技术课程教学改革与实践

傅莉，刘伟彬

（景德镇陶瓷大学机械电子工程学院，江西 景德镇 333002）

0 引言

数字电子技术是电子信息类本科专业的一门专业基础课，该课程具有很强的实践性和工程性，将软件和硬件设计相结合。在深化新工科人才建设的背景下，以学科知识为导向，以教师为主体的教学模式无法满足新时代工程专业人才的培养目标，对工程教育进行创新势在必行[1]。

本文基于新工科背景下工程教育人才培养要求，借助开放性较强的线上资源，实施线上线下一体化融合式教学，利用翻转课堂、工程问题引导式教学模式，突出工程思维理念，并融入思政元素，培养学生的爱国情怀和树立正确的人生观，使学生在掌握数字电路理论分析、设计及基本实验技能的基础上，强化工程应用能力，提高学生的综合设计能力，适应对电子信息技术的时代要求，并充分发挥教师教书育人的作用。

1 以学生为中心的项目式教学改革实践

数字电子技术课程是一门工程性和实践性较强的学科，在科技飞速发展的今天，原有的教学模式已无法满足工程性专业人才的培养要求，当前工程教育的教学要求构建以学生为中心的教学模式，注重学生工程实践能力的培养，引入项目式教学是培养学生工程创新实践能力的有效方式。教师在教学过程中以项目为导向，重构教学体系和课程内容，在每个项目中融入课程思政元素[2]，“教、学、做”为一体，充分体现出教学改革的新模式和新理念。项目式教学内容设计见表1。

表1 项目式教学内容设计

以景德镇陶瓷大学电子信息工程专业的数字电子技术课程为例，采用“理论+实验”的方式进行教学，其中理论学时46学时，实验学时10学时（均为线下独立课程），共56学时，理论学时安排为：线上自学学习8 学时，线下讨论8 学时，集中授课30 学时，另不定时地安排碎片时间自主学习。线上自学学习为基础和容易理解的内容，线下讨论课为工程案例或围绕项目分析设计进行深入探讨，集中授课主要是教学重点和难点内容。借助慕课堂和学习通等互联网资源，实施线上线下一体化教学[3]。以汽车尾灯控制电路为例进行项目分析、模块电路设计、系统搭建。通过工程实例，帮助建立系统的概念，学会如何将多种逻辑功能模块相互连接起来形成一个完整的系统，体会系统中每一个模块的工作原理及作用。

1）课前自学：利用线上平台观看视频SPOC：计数器、寄存器及移位寄存器的定义、分类及电路实现，教师提供课前测试题和在线答疑。

2）课中学习：线下讲解4 位同步二进制计数器的工作原理、集成计数器74LS161 的功能，左移、右移、双向移位寄存器的工作原理、集成移位寄存器74LS194的功能。

3）线下讨论：①任意进制计数器的实现：组织课堂专题讨论如何利用十六进制芯片74LS161构成9进制计数器，引导学生利用反馈清0法和同步置数法跳过其中7 个无效状态构成9 进制加法计数器，进一步引导学生设计同步和异步60进制计数器的设计方法，并用multisim 软件进行仿真；②让学生介绍计数器和移位寄存器的应用场合，以任务驱动，教师为主导、学生为主体，引入工程项目——汽车尾灯控制电路，分析其功能及技术要点，分组讨论让学生尝试自行分解任务，了解汽车尾灯电路与计数器、移位寄存器之间的联系，分小组进行单元电路设计，提出完整的设计方案，最后用Multisim软件进行仿真。

4）课后：布置作业，推送提前录制的微课视频项目模块中的重要知识点，强化课程内容的学习，并引导学生进一步自主学习，培养学生合作及科技创新能力，线上布置任务：30倒计时电路的设计与制作，要求学生分组完成任务并提交仿真视频。

2 实验实践教学内容改革

实践教学是新工科建设背景下工程教育理念中至关重要的一个环节，传统的数字电子技术实验以验证性实验为主，学生只需要照着演示视频步骤完成既定实验，最后连做了什么，为什么这么做都不清楚，更不用谈创新、工程实践能力的培养。OBE工程教育理念是获国内大部分高校认可的一种工程教育模式，它强调以学生为中心，以成果为导向[4]。在实验教学中引入OBE教学理念并融入理实一体化，注重实践创新和思维开拓，以项目为驱动，分层次递进式选择实验内容，将实验分为基础型、综合设计型、创新研究型三种类型，内容与难度层层推进展开。

1）基础型

掌握常用门电路、中小规模集成电路芯片的功能和使用方法，具备基本的实验操作能力和处理数据的能力，加深对理论知识的理解和应用。

2）综合设计型

利用电子设计自动化（EDA）技术，完成具有一定功能的中小型数字系统的搭建和仿真，提高工程应用，在综合设计能力的培养方面，适应对电子信息时代要求。

3）创新研究型

在综合设计实验基础上进一步提高学生科研层次的训练，培养创新意识。以FPGA 平台作为实验操作的载体，激发学生的创新创意，培养学生具有基本科学研究的素养和认真严肃的科学作风，以及解决复杂工程问题的能力和团结合作的精神。

在课程之后安排的课程设计实践任务，将查找文献、软硬件电路设计、调试，制作数字电子产品和撰写课程设计说明书贯穿其中，培养学生在实践中分析和解决问题的能力，提高学生应用数字电路技术的思路和方法解决工程问题的能力。

3 基于口袋实验的教学改革

面向工程应用型人才培养需求，实验教学在工程实践创新方面起到关键作用。但目前很多高校实验室资源匮乏，传统实验箱通用性低且受场地制约，给综合设计型、创新型项目实验的实施带来很大的困难。2020 年，线下实验因疫情无法有效展开，虚拟实验室的建设和仿真软件迅速应用开来。口袋实验室最早由斯坦福大学克利夫顿博士提出，由于体积小、成本低、功能全面、携带方便、便于二次开发，可以灵活地带入生活当中的各种场景[5]。口袋实验被学生使用到课堂和实验环节中，理论学习与动手实践同步，学生在掌握扎实理论基础的同时，提升分析和解决实际问题的能力，实现理实一体化。基于口袋实验室的教学模式，构建以学生为中心的工程教育理念，使项目式实验教学突破了原有的时间和空间的限制，给学生赋予了更大的创造力和想象力，从本质上提高了数电实验的教学效果，有效地提高了学生的工程实践应用能力和创新能力。

国内清华大学、东南大学、哈尔滨工业大学等高校较早地引入口袋实验室。人们借助口袋实验室，陆续尝试在“数字电子技术”课程教学中引入FPGA的相关知识，课程均安排在线上自学，线下前期可将综合设计实验项目进行细化分解，根据实施效果进行持续改进，利用FPGA开发板和Vivado开发环境，搭配面包板和简单电子器件构成便携式系统，学生可以将实验项目搬到图书馆、自习室、寝室等场合进行，自由安排时间进行项目测试，经过一轮线上线下学习实践后，学生普遍能够熟练运用Verilog HDL语言实现较为复杂的数字电路系统设计，解决了教学与工程实践脱节的问题，后期老师围绕口袋实验安排创新实践项目，可实时请学生展示创新实践成果，实现学生之间的团队合作和师生的全面互动，同时也增加了课程的广度并加强了课程的深度。

4 考核方式的改革

线上线下混合式教学模式中，传统的采用“一卷式”考核考查学生学习成效已不再适用。加大过程考核，建立多元化、过程化、能力化的考核方式，将考核评价贯穿于教学过程中。教学课程考核分为线上和线下考核：在基础知识考核方面，线上分为考勤（10%），线上章节自学测试（10%），主要目的是提高学生自主学习的能力；在能力考核和综合素质方面，线下分为分组讨论（5%），任务设计、仿真与制作（10%），培养学生团队协作、工程实践能力。实验考核（15%）中加大综合设计和创新实验的考核比重，从验证性实验主要考查学生处理和分析实验数据的能力到综合设计实验中电路设计、仿真结果、软件使用、硬件调试及创新实验项目中科研论文的撰写，提高学生综合素质和创新能力。期末考试（50%）分为基础题、分析题和设计题进行考查，这样多元化的考核方式从基础、能力到创新多方面、多角度提升学生的学习兴趣和课程学习的挑战度。

5 结束语

基于新工科背景下工程教育理念对数字电子技术课程教学进行改革，以学生为中心进行项目式教学，应用线上线下混合式教学模式，引入思政元素、设置递进式实验项目、创新实验教学内容，结合多元化的考核方式，激发学生学习热情和创新意识。新的教学模式新的理念，以学习成果为导向、持续改进的教学方法和手段能较大程度提升学生的工程思维和综合实践能力，对培养具有国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才起到促进作用。