IACI-CDIO理念下項目驅動的數字邏輯實驗教學改革與實踐

李 文， 黃 文， 尹向東， 伍鐵斌

(1.湖南科技學院計算機與通信工程系，湖南 永州 425199;2.中南大學信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引言

CDIO是21世紀初以美國麻省理工學院為首的全球眾多高校提出并倡導的現代大學工程教育理念和實施框架，即構思(conceive)、設計(design)、實施(implement)、運作(operate)[1-3]。它以工業產品生命全過程為載體注重培養學生的工程能力，將教育過程在工程領域的具體情境中實施，培養學生掌握扎實的基礎理論及專業知識的同時，提高其團隊協作和創新實踐能力，使其成為新一代高水平工程技術人才。CDIO工程教育理念，為我校培養高級應用型人才提供了借鑒方法[4-6]。

在此新理念下，將其應用于指導數字邏輯實驗課程的教學。但對于一門具體課程來說，需要結合自己的教學實際情況制定符合課程CDIO能力培養的目標和方法。數字邏輯實驗課程具有較強的理論性，又具有較強的實踐性。為此，我們依據CDIO基本理念，提出了基于IACI-CDIO的教學改革方案，IACI-CDIO是將學生探索興趣(Interesting)、工程能力(Ability)、團隊協作(Cooperation)、應用創新(Innovation)融入到項目研發的CDIO過程中，形成一個以“項目為中心、教師為主導、學生為主體、CDIO培養為基本特征”的新型教學方法，實施了“做-學-悟”三維一體立體式教學，且將實驗貼近工程實踐及以學生為主體的多層次多目標教學，以促進專業教學適應新形勢下的要求。

1 課程分析及其教學中存在的問題

數字邏輯實驗課程是信息類專業重要的專業基礎實驗課程，擔負著鞏固并升華理論知識，培養學生對數字系統的分析設計能力、工程實踐能力和創新能力的重任，為后續相關課程打下牢固的硬件基礎，在專業教學中具有至關重要的地位。特別是在我校卓越工程師培養計劃下，實驗課程對學生動手能力的培養與工程意識的培養作用就更加重要。

數字邏輯實驗課程的特點是:①數字邏輯實驗課程是一門抽象且具體的課程。抽象性表現在邏輯問題的提取和描述上，具體性表現在邏輯問題的實現上。②理論知識和實踐應用緊密結合。該課程各部分知識與實際應用直接相關，實踐中要求學生對理論知識進行綜合運用，能夠學會設計一些典型的數字電路，真正培養解決實際問題的能力。③ 邏輯設計實現方法多樣。許多問題的處理沒有固定的方法和步驟，很大程度上取決于操作者的邏輯思維推理能力、知識廣度和深度、以及解決實際問題的能力。

數字邏輯實驗課程教學中存在的問題:①在教學內容上，實驗中驗證性的內容比重很大，綜合性設計性內容較少且有其形無其神，這使得學生不能主動地去思考和探索，進而失去學習興趣。②在教學方式上，很多教師整堂課以教師為中心，將實驗的內容、要求、步驟、電路連接、可能出現問題及解決方法等事先講授給學生，這樣學生只能“依葫蘆畫瓢”式勉強只會其形式，根本上失去實驗的精髓和神韻。學生分析問題、解決問題的能力無從談起，更不要說創新精神的培養。③在實驗項目及實現方案的選擇上，一些教師以傳統實驗為主，擴展性不足，課程之間聯系不夠，使學生無法與實際工程項目接軌，不能很好地解決實際問題。④在實驗實踐環節上，一些教師只授人以魚而不授人以漁，忽視實驗實踐各環節，致使學生在面對具體工程應用問題時無從下手。

近幾年以來，針對目前數字邏輯課程存在的問題，提出了基于IACI-CDIO的教學改革方案，做出如下具體教學改革:

(1)課程體系設置上，改革了實驗課程與相關理論課程的關系，從原來的“從屬關系”改為“依存關系”獨立設課、獨立考核和單獨記錄學分;

(2)在學時及時間安排上，增加實驗課時合理安排實驗與理論的進行時間;

(3)在實驗項目選取上，兼顧基本實驗方法與技能訓練的要求，僅保留極少數驗證性實驗，采取典型實用項目作為綜合設計性實驗;

(4)在教學方式上采取項目驅動式多層次多目標教學方法，形成一個以“項目為中心、教師為主導、學生為主體、CDIO培養為基本特征”的新型教學方法;

(5)實行嚴格的實驗預習檢查、進度跟蹤及科學的實驗指導及考核方式。

實施了“做-學-悟”三維一體的立體式教學，將實驗貼近工程實踐及以學生為主體針對不同的個體采取多層次多目標教學，來適用于生源質量相對不高、學生間差距明顯的一般本科院校。

2 基于IACI-CDIO的項目驅動教學

基于CDIO工作過程的項目驅動教學法[7-9]以培養學生的工程應用能力為目標，將教學大綱規定的知識點引入到項目中，教師指導全程并跟蹤、落實學生的執行情況。在CDIO工程實踐過程中，教師的教學思維采取“自上而下”的工程設計理念，由工程設計真實情境，先給出整體的工程概念，由整體到局部，由工程所涉及的專業知識到專業知識所涉及的課程及課程間的基礎知識，做到“從做中學，從學中悟”，解決目前大部分學生認為學習專業課程無用的心理盲目狀態。在IACI-CDIO工程教育理念的指導下，我們采取了以能力培養為宗旨的項目驅動教學方式，精心設計了實驗項目，在理論課上進行項目的引入，在實驗課上進行項目的多層次設計、實施、運作，在課外興趣小組進行擴展延伸創新實踐，使學生全面、系統地掌握各個知識點的內涵和關聯，有效地提高了各項能力。

2.1 IACI-CDIO理念下項目設置

大學的課程教學低層次目標是使學生掌握課程所涉及的專業知識和相關技術，高層次目標是讓他們在學習的過程中得到學習能力的培養和提升以適應不斷更新的知識和技術要求。IACI-CDIO的核心思想就是強調探究興趣的激發，強調自學能力的培養，強調團隊分工協作，強調應用所學知識解決工程實際問題，在實際工程項目中有所創新。讓學生在工程實踐的真實情境中以主動的、實踐的、課程之間相互交叉關聯的方式學習，參與整個工程構思、設計、實施以及運作過程，從而獲得對工程項目整個生命周期的全面認識，在探索興趣、工程能力、團隊協作、應用創新4個層面達到預定目標，使其畢業后能更快地融入社會，更好地滿足社會對工程技術人才的需求[10-11]。

項目驅動的教學方式是以做項目為中心來組織課程教學。因此，選擇具有系統性及代表性的工程項目，以突出項目訓練的完整性，使學生在做項目的過程中學習必要的知識。“帶顯示的數字搶答器設計”項目是一個典型的例子，該項目要求設計一個搶答器，當主持人允許搶答后，能夠自動辨認第一時間按下搶答按鈕的選手并顯示。項目的設計可以從最基本的搶答功能開始直至貼近實用、功能完善，此項目實施過程涉及數字邏輯課程的絕大部分知識點，形成了“做-學-悟”三維一體立體式多層次、多目標教學。如表1所示。

表1 帶顯示的數字搶答器實驗項目層次設置

2.2 IACI-CDIO理念下項目引入

在課程介紹時用現實生活中可實現的典型應用電路為例，來增強學生對課程的第一印象，同時把精心設計的實際生活中的典型應用實例項目“帶顯示的數字搶答器設計”引入課堂，來激發學生對課程知識的探究興趣。合理搭配理論與實驗的交替進行時間安排，在不同的時段適時的提出相應層次的項目實現要求，做到理論中有實踐，實踐中有理論，使理論與實驗成為相互統一的整體。例如，在講解中規模集成電路的編碼器、譯碼器及顯示器相關知識以后，提出如何設計一個電路，其中有4個按鈕作為輸入，當分別按下不同按鈕的時候，發光二極管顯示相應按下的按鈕號碼;在講解時序邏輯電路單元的觸發器、鎖存器的相關知識后，與實際搶答器比較繼續完成功能，利用觸發器記憶功能和反饋邏輯控制的概念就能夠實現具有基本功能的搶答電路，由此加深組合電路和時序電路的區別;在學習時序電路集成芯片計數器和555定時器等知識后，在項目工程設計的完整性和實用性要求上也不斷提高，根據要求逐層深入使學生在“做-學-悟”三維一體立體式多層次多目標教學的遞進過程中，激發探索興趣，建立知識關聯架構，提高工程應用及設計能力。

2.3 IACI-CDIO理念下項目實施

項目驅動的教學實施是從IACI-CDIO的構想出發，以能力培養為宗旨，樹立以項目為中心，以學生為主體、以教師為主導的觀念，實現理論和實踐一體化教學。提前下達實驗要求，鼓勵學生課外積極思考、勇于探索，在眾多知識中比較、鑒別，準確提取相關知識分析問題、解決問題。在實驗教學過程中，不同階段針對不同層次的實驗目標，提供不同的實驗實現平臺。學生根據具體的實驗平臺及目標要求，課外獨立思考、查閱資料、提出實驗方案。

具體操作過程就是學生能力培養和提高的關鍵，改變傳統課內完成實驗并給出成績的慣例，適當提供給學生以寬松的氣氛，讓學生思維活躍，勇于開拓創新，且允許失敗，并從失敗中找出正確的方法，建立工程觀念。例如，學生使用Multisim仿真平臺設計電路時，缺乏參數選型、性價比、體積和可靠性等工程設計概念，通過出錯、失敗使其認識到，在實際工程設計的時候需要考慮的諸多因素，積累了一定經驗。項目實施分階段、多層次、多目標，由易至難循序漸進，且具有很好的工程應用價值。具體分為以下4個階段:① 構思階段。每個項目實施時，教師先規定項目要求，分析一些涉及本項目的關鍵知識點。② 設計階段。學生課外查找資料，進行軟件仿真，并在開放實驗室制作與任務相關的硬件電路，期間教師定期解答學生設計過程中的問題，對個別有困難的學生進行重點指導。③實施階段。學生課內自行調試、測試硬件，互相交流，完善系統的設計。根據實驗現象、結果撰寫綜合設計性實驗報告。④ 運行階段。高層次目標由各小組選代表進行答辯，演示自己的作品，交流自己的心得體會。教師總結項目設計過程中的普遍性問題，講授經驗教訓，教師對學生的項目完成情況進行考核評定。

2.4 IACI-CDIO理念下項目擴展延伸

在提高和進階層的要求中，學生可組成小組共同合作，在開放性實驗時間或開放實驗室完成實驗。指導教師指導學生完成實驗方案的選擇、任務的分配、模塊的設計及實施，并指導學生把整個項目的目標、模塊設計、現象觀察、結果分析、總結按照綜設性實驗報告的格式寫出并上交存檔，把項目作品的使用方法按照產品說明書的形式寫出并上交存檔。

各小組派遣一名代表進行最后演示答辯，教師所提問題可以由小組成員共同回答。教師最后就各小組的情況進行總結分析，分析各小組中做的成功的地方以及不足的地方，提出現實生活中其他的項目(如交通燈、籃球24秒違例顯示報警電路)以及與本項目的共同之處(含振蕩、分頻、計數、譯碼、顯示等模塊)供學生思考。進一步引導大家思考工程實現的其他方法，比如微機控制、單片機控制、嵌入式控制等，為后續課程學習打下伏筆。

2.5 IACI-CDIO理念下項目考核

對每個學生完成的項目，教師從如下4個方面對其進行考核:①完成的層次水平;② 硬件電路焊接工藝;③項目總結報告的內容與格式;④ 硬件的整體演示效果及答辯綜合表現。

學生的課程總評成績由平時和期末考試成績組成。其中平時成績占50%，包含考勤、項目成績和答辯成績;期末考試成績占50%，包含Multisim計算機仿真操作(占25%)和仿真制作(占25%)。

教師只要在項目引入、實施、擴展延伸、考核評價各環節進行嚴格跟蹤把關，學生就可以在完成項目的過程中既學會硬件設計、制作，又掌握如何撰寫項目報告，同時在答辯環節鍛煉自己對知識的表達能力。項目的實施涵蓋了許多工程設計方法，結合利用電子電路仿真技術的新工具、新方法，從多層次多目標完成帶顯示的數字搶答器的設計，并在設計、連接、調試及焊接過程中，學會組合邏輯電路和時序邏輯電路的設計方法，在強化基本操作技能的同時，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力和創新能力，領悟工程設計理念、系統觀念、全局觀念，使學生在完成項目的過程中達到綜合能力提高的目的。

3 結語

數字邏輯實驗是學生動手能力的培養與工程意識的培養重要的一環。本文把IACI-CDIO的思想引入數字邏輯實驗課程，對課程體系和教學內容進行刪減、更新，同時依據課程間的內在關系，構建了與后續課程具有良好延續性的多層次的實驗體系[12-14]。在實踐中采用項目驅動式實驗教學模式來激發學生的探究興趣和創新精神，使學生通過課程學習和實踐，掌握現代數字邏輯電路的分析和設計方法，為后續課程準備必要的數字電路知識和設計技能，進而培養學生系統設計能力、分析問題和解決問題的能力，同時培養和提高了學生的創新意識和創新能力。從教學效果看，通過引導學生自主學習，形成“理論實踐統一、課內、外統一、講授與學習統一”，學生的學習積極性大大提高，并在知識點的理解、知識結構的掌握、擴大視野、工程實踐能力以及團隊交流能力都得到明顯提高。

新教學思想的實施，使得教師的教學能力、水平也獲得較大進步，教師的綜合業務素質得到增強，形成師生教學互長。但要切實保證教學效果需從以下四個方面做出相應要求:① 實驗室建立完善的開放管理制度。科學的實驗室管理與開放，是新教學方式順利實施的有力物質保障;② 制定科學、嚴謹的教學檔案。教學檔案資料能夠全面、客觀地反映教與學雙邊活動的全過程，是專業培養的有機組成部分。教學檔案應有4個部分:課程大綱、實驗與項目指導書、學生實驗報告、實驗室開放記錄及指導記錄。③提高教師業務素質轉變教師職能。作為一種全新的教學方法，IACICDIO工程教學模式下項目驅動教學更注重教師在方法實施的過程中起著重要作用，隨著教學方法的改變，教師的業務素質及核心職能也應順之發生變化。教師應選取系統性、典型型且能逐層深入梯度式展開培養學生的項目，要設立與教學相適應的教學環境，讓學生在真實的工程任務中解決問題。要努力使自己成為一個集教師、項目需求者、項目設計者、項目管理者以及項目評估者于一身的綜合角色[15]。④ 政策資金的支持。新的教學模式下將圍繞項目的開展花費更多的人力、物力、財力和智力，需要在物質上和精神上給予適當的政策保障。

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