工程教育認證背景下數字電子技術教學模式改革

秦懷宇，陳 歡

（1.江蘇科技大學,張家港,215600 2.無錫科技職業學院,無錫,214028）

1 工程教育認證背景下的數字電子技術課程重構

2013年6月，我國工程教育成功加入《華盛頓協議》。該協議成立于1989年，現有美國、俄羅斯、日本、韓國、加拿大、英國、澳大利亞等15個正式成員組織和德國、印度等5個臨時成員，覆蓋亞洲、美洲、歐洲、非洲、大洋洲。其宗旨是，通過多邊認可工程教育學歷，推動全球工程教育質量提升，促進工程技術人員跨國（境）流動。這是我國提升工程教育水平、與國際加快接軌的重大契機，但是改革現有教學方法的工作繁重、任務艱巨、時間緊迫。在重新審視數字電子技術課程的教學過程中，發現諸多不足。

工程教育認證的通用標準要求學生掌握工程基礎知識和本專業的基本理論知識，具有系統的工程實踐學習經歷，具備設計和實施工程實驗的能力，并能夠對實驗結果進行分析。數字電子技術作為電子信息與電氣工程類專業的基礎類課程，兼具較強的理論性和實踐性。以往為了兼顧理論和實踐，在培養計劃中，將實驗單獨授課，實驗項目以簡單的驗證性實驗為主，輔以單元電路的設計性實驗，缺點是忽視了課程的工程性，給人以理論與實踐并重的假象。學生對課程缺少框架性的認識，知識結構與層次未建立起來。

針對上述問題，以工程教育認證的標準對數字電子技術課程進行了教學改革探索。從單純向學生傳授知識點的灌輸式教育模式，向以學生為中心、項目驅動的教學模式轉變。在傳授知識點的同時，幫助學生站在項目的高度，貫穿、梳理知識架構；在實踐過程中，實施多層次、立體化教學，實現理論與實踐的有機結合。由此，學生在基礎知識的理解、工程實踐能力、團隊協作能力等方面都有顯著提高。

2 工程教育認證下的項目設計

以往教師注重知識點與技術理論的講授，卻忽視了“學以致用”的終極目標。而工程教育認證恰恰為這一目標設計，其核心要求是學生在大學畢業后，能夠具備工程技術人才的基本素質。

在這一標準指導下，重新安排了現有課程體系和資源，將理論教學與工程實踐有機結合，實現理論與實踐的一體化教學。設計了項目驅動的教學模式，精心設計實驗項目，在理論課上進行項目導入、構思，在實驗課上進行分模塊、分層次實施，并開展項目小組團隊協作、創新實踐，使學生全面、系統掌握各個知識點的內涵及其相互關聯。

以“數字交通燈”為例，引導學生進行項目設計、制作。該項目要求設計一套十字路口交通燈，不僅具備基本的交通指示功能，還具備急車強通、交通異常等功能。項目設計可從交通燈顯示開始，再將其他模塊逐個完善。整個流程需用到門電路、組合邏輯、時序邏輯等內容，運用多種實驗方法實現，如下表所示。

表1 “數字交通燈”項目設計

實踐設計目標具體如下：

第一階段目標。用鎖存器和門電路實現交通燈亮滅，用指示燈標明通行規則，這里需要觸發器與控制邏輯的知識點。

第二階段目標。在第一層次的基礎上，增加數碼管時間顯示功能。此目標有助于培養學生綜合利用部分知識點解決問題的能力。

第三階段目標。在前兩個層次的基礎上，增加倒計時功能，即根據主干道綠燈通行45秒、支干道綠燈通行30秒、黃燈緩沖5秒的規則，使數碼管與發光二極管同步顯示。此部分需要用到計數器、脈沖發生器、單穩態觸發器等知識，有助于學生建立數電中的重要概念——時序。

第四階段目標。在前三層次的基礎上，增加急車強通開關控制。如有急車來時，將急車強通開關接通，無論原來交通燈如何運行，一律讓急車來車方向綠燈亮，為急車放行，直至急車通過。急車一過，斷開強通開關，隨后按正常時序控制。這部分需要設計去抖電路，以增強系統可靠性。

第五階段目標。對交通異常情況進行控制。比如，在現實生活中的交通可能會出現東西方向的車輛過多發生堵塞，而南北方向車輛卻很稀少。這時正常的信號燈時序將會使交通狀況更加惡化。這部分的處理方式是由傳感器根據外界實際情況來對信號燈控制，即增加擁堵道路綠燈通行時間。

第六階段目標。這是最高層次，鼓勵學生用先進技術解決實際問題，如用CPLD/FPGA實現交通燈的控制。

在以上層次的基礎上，設計電路板，完成作品。

這些影響選型的因素可歸類為目標環境(平臺、性能和UI交互)、成本約束(成本、研發周期)、業務需求(業務類型、更新頻度)和技術儲備(團隊儲備、社區資源)等，開發團隊需根據需求識別出核心的影響因素，選定應用類型，進而綜合考慮其他因素，參照選型策略參考模型選擇開發模式和具體的實現技術。

這樣，隨著課程的深入、知識的積累，在基本項目中不斷加入新功能，對系統的完整性和實用性不斷提出更高的要求，有助于為學生提供更多自主學習的空間。

3 以項目為導向的教學實踐

項目為導向的教學實踐，以培養具有相當理論基礎的工程實踐人才為宗旨，在重視理論知識的同時，加強對學生的實踐能力培養，形成“教”與“學”的一體化模式。

3.1 項目貫穿理論 教學始終

從數字電子技術的第一節課，就提出交通燈控制的課題，有助于學生認識該門課程的作用，明確學習目的。教授基礎理論時，向學生提出相關設計目標，鼓勵他們積極思考、查閱海量資料。例如，在講解完門電路相關知識以后，提出如何設計一組二極管發光電路，要求滿足交通燈顯示邏輯。此時，可以現場布置課堂作業，用電路仿真軟件仿真其顯示效果。學生在這一仿真過程中，可以很好的理解門電路，掌握典型門電路的設計。然后，數碼管顯示問題就自然形成，從而引出編碼器、譯碼器的知識點，進而延伸到整個組合邏輯電路。交通燈已初具雛形，為了達到計時、存儲的目的，又用到鎖存器和觸發器的知識。學到這里，可以引導學生發現存在的問題，即發光二極管顯示與數碼管顯示的時間關系，讓其明白該處可謂整個項目的重中之重，當然也是數字電路的核心，從而拉開時序邏輯電路學習的大幕。隨著課程的深入，各個知識點不斷擴充，項目功能一一實現，使學生在多層次目標的完善中，建立起了知識架構，為實戰打下堅實的理論基礎。

3.2 實驗教學中項目的啟動與運作

在實驗教學中，堅持驗證性實驗與設計性實驗相結合，并將不同目標的層次融入到實驗中。學生根據實驗設備及要求，獨立思考、查閱資料、提出實驗方案，充分利用EDA 工具對實驗方案進行分析、完善，提高實驗成功率。

在實際動手過程中，充分發揮學生的主觀能動性、調動其創造性、呵護其學習熱情，允許犯錯，并從失敗中找出成功的經驗。例如剛開始使用Multisim軟件仿真電路時，學生還沒有建立起性價比、體積和可靠性等工程設計理念，電路雖達到要求，但使用到很多種類和數量的器件，甚至還設計出一些通用器件，因此在安裝、調試的時候，面對如此繁雜的電路，往往一籌莫展。經過這一過程，使學生逐步認識到項目設計中不僅要考慮到功能性，還應綜合考慮成本、體積、性能等多種指標，從而積累寶貴的工程經驗。

3.3 項目小組的團隊協作

對于難度較深的實驗項目，3～5名學生為單位構成項目小組，共同完成實驗任務。教師指導學生把實驗方案選定、步驟設計、現象觀察、結果分析等內容按照論文的形式寫出來，對于設計實物按照產品說明書的形式攥寫。這樣有利于學生總結整個設計過程，獲取工程經驗。

4 結束語

在工程教育國際認證標準的指導下，數字電子技術課程實施了以項目為導向的教學方式。通過與傳統教學模式比較，我們發現學生無論是在學習積極性、理論知識的完善，還是工程實踐、團隊合作能力等方面都有顯著提高。

4.1 被動學習變主動學習

4.2 擴大了學生的知識面

對項目的逐層深入，要求學生不能把著眼點放在某一個章節，而是要發散到多個章節、多門課程，甚至整個專業方向。

4.3 工程實踐能力和團隊協作意識顯著增強

通過項目實踐，學生從資料查閱、電路仿真、器件選型到制版連線、安裝調試、報告攥寫等各方面能力都得到顯著提高，且團隊配合的形式使學生更加意識到交流合作精神的重要性。

4.4 深化實驗室管理模式

項目驅動的教學模式有利于實驗室的深度開放，極大提高了實驗室的利用率，促進實驗室管理制度的不斷創新。

[1]韓桂英. 數字電路與邏輯設計實用教程[M]. 北京：國防工業出版社，2008.

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