基于科研項目的數字電路創新型實驗教學改革

李 旭， 張為公

(東南大學 儀器科學與工程學院，江蘇 南京 210096)

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基于科研項目的數字電路創新型實驗教學改革

李 旭， 張為公

(東南大學 儀器科學與工程學院，江蘇 南京 210096)

針對“卓越工程師”的培養，在數字電路教學中引入以科研項目驅動的創新型實驗教學環節，旨在培養學生的創新實踐能力。該環節的實驗項目是以科研項目為基礎，在設計時應遵循有機融合、難易適中、創新實踐的原則。在創新型實驗教學環節的實施過程中，貫徹“教師引導，學生主體”的原則，充分發揮學生的主體作用與教師的引導作用，并采取結果性與過程性考核并重的考核評價方法。教學實踐表明，該環節激發了學生學習的積極性和創造性，培養了學生分析解決實際問題的創新實踐能力。創新型實驗教學環節是對數字電路實驗教學體系的豐富和完善，可在同類課程中進行推廣。

項目驅動； 數字電路； 教學改革； 實驗教學

0 引 言

近年來，為進一步貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》，我國實施了“卓越工程師教育培養計劃”，這是我國高等工程教育的一項重大改革，旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才[1-2]。卓越工程師人才培養的核心是能力培養，關鍵點是與實踐環節相結合，這對我國高校教學方式的變革提出了新的要求與挑戰。因此，如何創新教育理念，探索教育模式，培養復合式、創新型、高技能的“卓越工程師”，成為當前工科專業各課程改革的目標和導向[3-5]。

數字電路是電類各專業的一門基礎課程，在電類人才培養過程中具有舉足輕重的作用。該課程的顯著特點是基礎理論與工程實踐結合極為緊密[6]。在當前的教育模式下，數字電路實驗教學往往獨立于課程教學而單獨設置，與課程教學分離。此外，現有的常規實驗教學內容由于多種因素的制約，往往多年未曾變化或者變化較少，較為陳舊，且多為原理性或驗證性實驗[7-8]，與實際工程應用脫節較為嚴重，缺乏對學生工程實踐和創新能力的培養。

以項目驅動的教學模式是建立在建構主義教學理論基礎上，師生通過共同實施“項目”而進行的教學活動[9-10]。在以項目驅動的教學中，所選項目可以是教師根據相關知識點結合自己的工程經驗人為設立的“虛擬”項目[11-12]，也可源于工程實踐的科研項目。同“虛擬”項目相比，源于科研的項目通常具有更強的創新性、更好的系統性和完整性、更為明確的工程背景及意義，因此，對于學生創新實踐能力的培養更有價值。

東南大學高度重視并積極推進相關課程的教學改革。筆者通過合理優化教學內容、調整教學體系，在數字電路的教學中引入了創新型實驗教學環節。該環節是以科研項目為驅動，旨在培養學生創新實踐能力和分析解決實際工程問題的能力，是對傳統數字電路常規實驗教學的補充和深化。改革實踐表明，以科研項目驅動的數字電路創新型實驗教學對培養創新實踐能力強的“卓越”人才具有積極的推動作用，取得了良好的教學效果。

1 數字電路“三位一體”教學模式的新探索

在使學生掌握從事工程工作所需的基礎及專業知識的前提下，應著重培養學生的基本素質、現代工程意識、學習能力、分析解決問題的能力、創新能力以及管理與溝通合作能力等，著力提高學生勇于探索的創新精神和善于解決問題的實踐能力[13-14]。

數字電路的教學改革應緊密圍繞上述培養標準展開。為此，對數字電路課程的教學模式進行了積極的創新性改革探索，主要是在合理優化理論教學的基礎上，強化實驗教學環節，在常規實驗教學基礎上引入了以科研項目驅動的創新型實驗教學環節。理論教學側重于使學生掌握數字電路的基礎理論和方法，建立起必要的知識儲備；常規實驗教學旨在鞏固學生的數字電路理論知識，并培養學生初步的分析解決問題的實踐能力；創新型實驗教學環節旨在通過科研項目驅動的方式培養學生的分析解決實際問題的創新實踐能力、團隊管理與溝通合作能力，幫助學生樹立現代工程意識，并使學生掌握更新數字電路知識的學習方法。

理論教學、常規實驗教學和創新型實驗教學三者相輔相成，共同構成了數字電路“三位一體”的教學新模式，如圖1所示。其中，新引入的創新型實驗教學環節處于該模式的最頂端，對于學生各方面素質的綜合培養具有顯著的優勢，能夠更好地促進卓越工程師培養標準的落實。

圖1 數字電路“三位一體”的教學新模式

(1) 理論教學。在數字電路整體知識框架內，優化了教學內容與方案，對數字電路涉及的基本概念和原理，如邏輯代數、組合與時序邏輯電路的分析與設計原理，進行了削枝強干，將原來64學時的理論教學調整為56學時，綜合運用啟發式、探究式、研討式等教學方法使學生在較短的學時內就能系統掌握相關理論知識。節省的8個學時主要用于新引入的創新型實驗教學環節的開展。同時，在理論教學過程中，適時穿插講授了數字電路技術的最新發展和自主學習方法，以便為創新型實驗教學的順利開展提供必要的基礎：①結合案例講授電子設計自動化技術EDA的應用(如Multisim、Quartus II等)以及復雜可編程邏輯器件CPLD的開發過程；②結合實例指導學生如何利用IEEE、Springer、中國知網、維普等國內外數據庫中進行數字電路開發方面的文獻檢索，使學生掌握調研和自主研學的方法。

(2) 常規實驗教學。數字電路常規實驗教學對于鞏固加深學生對理論知識的理解、培養一定的動手實踐能力具有重要的作用。這類實驗多以驗證性設計為主，如基于小規模或中規模器件的密碼鎖、血型配型或全加器電路，基于觸發器的廣告流水燈或者搶答器，基于中規模器件的任意模計數器以及比較簡單的綜合設計實驗(如時鐘、交通燈控制等)。對于常規實驗教學，為充分發揮學校電工電子實驗中心的規范化運行和教學資源優勢，我們仍然采取單獨設置的方式，由學校電工電子實驗中心來承擔。

(3) 創新型實驗教學。創新型實驗教學是在理論教學與常規實驗教學的基礎上，通過以科研課題驅動的實驗項目在一定范圍內開展實施的。創新型實驗教學的課內學時包括8個學時，主要用于實驗項目的布置、階段性檢查以及最后的匯報展示等。而創新型實驗項目的開展主要通過學生利用課外時間自主完成，即以小組團隊合作方式，通過文獻調研、方案論證、不斷創新探索來完成。教師在此過程中主要起到引導作用，扮好“導演”的角色。此外，將創新型實驗教學環節的考核成績作為整個數字電路課程考核的重要組成部分，引導和激勵學生積極參與。

2 實驗項目的設計

創新型實驗教學環節的前提和基礎在于實驗項目的設計，其優劣直接影響到教學效果和教學目標的實現。為保證順利實施，在設計以科研項目驅動的創新型實驗教學環節中，應注意以下原則：

(1) 有機融合原則。科研項目的目標并非為了教學。科研項目的特點在于具有明顯的創新性和實踐性，在于“研”；而教學的目的在于使學生掌握知識以及學習的方法，在于“教”。“研”與“教”的結合，不是簡單的一加一的過程，而是要把握有機融合的原則。具體而言，就是要從數字電路實驗教學的角度來重新分析、梳理科研項目的內容，從中尋找與課程內容的結合點和切入點，將一個個課程的知識點與項目有關內容結合、融合在一起，來形成涵蓋課程知識點的創新型實驗環節的項目。

例如，結合交通部重大科技專項“汽車列車安全性的評價”，針對涉及的數字電路知識點設立了“汽車列車碼盤速度測量電路的設計”實驗項目。該實驗項目需要學生綜合運用組合和時序邏輯電路的知識設計相應的測頻或測周電路以便測量汽車列車車輪在制動時的速度變化情況，進而可用于對汽車列車制動安全性的定量評價。

(2) 難易適中原則。將科研項目引入到數字電路的實驗教學環節中，還需從項目的難易角度對科研項目進行適當裁剪、抽取和派生來形成實驗環節的項目，即難易適中的原則。就是要求設計的實驗項目應充分兼顧學生已有的知識基礎和接收能力，既不能過于復雜也不能過于簡單。有的課題過于簡單，則降低了教學質量難以實現教學目標，也難以激發學生的熱情和積極性；有的課題雖然很有研究價值，但對學生而言過于專、深、復雜，學生難以理解和接受，甚至產生畏懼心理，起到適得其反的作用。

例如，結合國家科技支撐計劃課題“營運車輛事故救援裝備的開發”，設立了“道路綜合救援車的警示燈循環控制電路設計”實驗項目。原科研項目需要全面考慮拖曳、起復、牽拉、扶正、破拆等各種作業工況下的控制，較為復雜。考慮到難易適中的原則，在實驗項目中只要求學生考慮2～3個工況，運用邏輯電路的知識設計相應的數字控制電路。并且對不同的工況進行組合，可派生出多個不同的實驗項目。

(3) 創新實踐原則。傳統的數字電路常規實驗教學多以“驗證性”為主，是為鞏固和加深學生對理論知識的理解、培養初步的動手實踐能力而設置。這種實驗項目對于鞏固學生的理論知識具有積極的作用，但難于培養學生的創新實踐能力。新引入的以科研項目驅動的數字電路創新型實驗環節必須堅持創新實踐原則，教師在實驗教學組織過程中應避免將“答案”直接告訴學生，而是引導學生對沒有直接“參考”的實驗項目通過課外調研、深入思考、團隊協作及不斷嘗試來加以解決，從而真正培養學生的創新實踐能力。

根據上述原則，結合課題組在汽車電子及測控技術方面的科研項目，在不同的難易程度和功能組合下設計一系列創新型實驗項目，滿足數字電路創新型教學實驗環節的需求。

3 實驗教學環節的實施

利用設計好的實驗項目，教師應根據課程進展及時組織實施創新型實驗教學環節。在實驗項目的實施過程中，應摒棄以教師為中心的“灌注式”教學，貫徹“教師引導，學生主體”的原則，充分發揮學生的主體意識，使學生在實驗教學中能夠充分發揮其探究意識和主觀能動性[15]，解決實驗項目涉及的實際工程問題。同時，在創新型實驗教學過程中，應更加注意指導學生掌握自主式研學和解決實際工程問題的方法，培養學生利用數字電路知識解決實際工程問題的能力。具體而言，數字電路創新型實驗教學的實施過程如圖2所示，具體闡述如下。

(1) 創新型實驗項目的布置。在學生較為系統地學習掌握了邏輯電路的設計過程后，教師就可以布置創新型實驗項目。布置項目時，應提出明確的實驗項目目標與要求，并對實驗項目涉及的科研背景與意義進行必要的介紹與闡述，使學生明白該實驗項目的實際工程意義，激發學生的興趣。同時，通過啟發式提問等方式引導學生思考實驗項目與數字電路相關知識的潛在聯系、可能的解決方案等。下面給出了一個結合國家自然科學基金項目車輛高容錯多模型融合定位技術研究而設立的實驗項目的布置內容：① 實驗項目名稱：“面向車輛導航的多傳感器時序同步測量電路設計”；② 科研背景及意義：“基于多傳感融合的車輛可靠導航定位對于實現車輛的準確誘導和安全運行具有重要意義……而多傳感融合的前提是實現對各傳感器輸出信號時序的精確測量……”；③ 實驗目標及要求：“各傳感器均以數字量串行通訊方式輸出，主要特性如下：GPS接收機Superstar(1Hz輸出，另可提供1 PPS周期性標準脈沖信號)、六維慣性測量單元IMU(100 Hz輸出)、SDI雙天線航向測量儀(10 Hz)、KVH電子羅盤(10 Hz)。請綜合運用所學的數字電路知識設計同步測量電路實現對六維慣性測量單元IMU、SDI雙天線航向測量儀和KVH電子羅盤中的一個或多個輸出信號與GPS輸出信號之間時間差的準確測量。”

在布置該實驗項目時，除系統介紹該電路設計的科研背景、工程意義、實驗目標及要求外，還積極啟發引導學生思考可能的解決方案——是否可利用GPS提供的1 PPS脈沖作為測量基準，另外提醒學生可先利用EDA軟件進行仿真設計驗證，再進行實驗設計。

(2) 以學生為主體的自主探究。在自愿組合的基礎上將學生分為3～5人的小組，以小組為單位并主要利用課外時間開展創新型實驗項目。小組成員首先通過充分的討論明確實驗項目的重點和難點，接著進行資料查閱與文獻調研，再通過小組內的分析論證確定實驗項目的實施方案，并明確各階段的任務目標以及每個人的具體分工，最終通過小組的團結協作、積極探究和實踐探索來完成創新型實驗項目的任務要求。

在學生開展創新型實驗項目的過程中，教師應注意提供充分的實驗條件保障。這方面可通過下面的途徑來解決：首先可以利用教師課題組的實驗室資源。實驗室先進的儀器設備以及研究生較為豐富的實踐經驗能為學生開展數字電路創新型實驗項目提供較好的保障和引導，并使學生能夠較早的接觸到科研項目的氛圍，有助于促進學生思維的拓展和自我認同意識。另外，工科院校目前都建有完善的電工電子實驗教學中心，多數都設有開放實驗室，應鼓勵學生充分利用這一資源開展相關實驗項目的研究。就東南大學電工電子實驗中心而言，作為國家級實驗教學示范中心，目前已具備較為完善的電工電子實驗教學儀器設備，形成了靈活、開放的實驗教學保障體系，學生可通過網絡預約等手段自主開展相關實驗，這為開展數字電路創新型實驗教學提供了極大的便利。

(3) 教師全過程的積極引導。在創新型實驗教學的實施過程中，教師應注意跟蹤整個過程。在學生遇到困難或失敗時要不斷鼓勵他們正確面對，同時為他們明確努力的方向，提供參考的建議，起到積極的引導和啟發的作用。在引導中應注意教學生“如何進行研究”，避免給學生直接的“答案”。對學生遇上的共性問題，由教師統一進行引導答疑；對個案問題可單獨引導。另外，充分利用現代通訊手段，如QQ群、E-mail郵箱等，及時指導學生。

(4) 階段性檢查。為了能夠準確掌握各小組的進展狀況，應進行階段性檢查。由各小組以書面或者課堂討論的方式匯報最新的進展狀況，教師對各組的研究方向和進展狀況進行把關，對進展順利的小組進行鼓勵，對進展緩慢的小組進行督促。結合檢查情況，教師指出每個小組的不足并給出進一步提高的建議，確保他們都能在規定時間內完成項目。在創新型實驗教學環節的實踐中，我們主要組織兩次階段性檢查。

(5) 創新型實驗教學的考核評價 。課程臨近結束時，在課堂上以小組為單位進行創新型實驗項目的匯報及成果展示。實驗項目的匯報以PPT形式進行，內容應包括團隊介紹、背景知識、實現過程、實現效果和心得體會等，接受老師和其他小組成員的質詢與討論，并提交規范性的實驗報告。

在考核評價中，應避免僅以實驗報告定成績的方式，采取“結果性”與“過程性”考核相結合的方式。既注重學生的實驗報告成績，又關注學生在創新型實驗教學過程中所體現的態度、工程實踐能力和團隊協作意識等。在過程性考核方面，對考核指標進行合理量化，包括階段性檢查、實驗項目的匯報展示及完成情況、團隊合作情況等，其中團隊合作情況主要由小組成員的自評和互評來確定，以激勵學生不單純為了分數而學習，而更側重于對學生綜合素質和創新能力的評價及引導。另外，在匯報展示環節教師可針對每個人的任務分工設置相應問題來質詢，以考察每個成員真正的參與程度及完成情況。創新型實驗教學的最終成績主要由四部分組成，具體考核評價內容及標準如表1所示。

表1 創新型實驗教學環節考核評價內容及標準(按時間)

4 結 語

這些改革與實踐是對傳統數字電路常規實驗教學的有益補充和深化，較好地激發了學生的學習興趣、主觀能動性和創造潛能。很多參與的學生反映通過該環節的學習，為他們學好其他相關課程以及參加大學生科研訓練計劃(SRTP)并取得好成績等奠定了良好的基礎。

[1] 畢 萍，劉 毓. 面向 “卓越工程師”目標進行“信號與系統”課程教學改革[J].實驗室研究與探索，2014，33(1)：190-193.

[2] 李延斌， 高有華，田 方，等. 面向培養卓越工程師的機械設計基礎課程改革[J]. 實驗技術與管理，2012， 29(4)：231-233.

[3] 馬紀明，徐 平，段 斐，等. 基于工程問題的工業科學實驗課程探索與實踐[J]. 北京航空航天大學學報(社會科學版)，2013，26(5)：117-120.

[4] 崔 軍. 國際高等工程教育課程改革案例研究-丹麥奧爾堡大學基于問題的學習模式[J]. 遠程教育雜志，2013(4)：100-105.

[5] 劉宏升，朱 泓，張 博. 卓越計劃背景下的流體力學課程教學改革與實踐[J]. 實驗技術與管理，2014，31(1)：194-196.

[6] 潘曉蘋，但 果，陳 昕，等. 基于CDIO理念的數字電路實驗教學改革[J]. 實驗室研究與探索，2013，32(8)：400-402.

[7] 田淑珍，全成斌，李山山，等. 數字邏輯電路實驗課的教學改革探索[J]. 實驗技術與管理，2010，27(11)：169-171.

[8] 汪 原. 數字電路實驗教學的 “覓食教學法”[J]. 實驗室研究與探索，2009，28(10)： 120-122.

[9] 吳新開，王海華. 項目驅動的創新實驗體系構建[J]. 實驗室研究與探索，2013，32(12)：137-139.

[10] 周秦武，張 博，張大龍，等. 以項目驅動為導向的專業綜合實驗課程設計與實踐[J]. 實驗技術與管理，2014(3)：183-185.

[11] 關莉莉. 項目驅動在高校計算機基礎教學中的應用[J]. 科技通報，2009，25(5)：700-704.

[12] 陳希章，雷玉成，王雷剛，等. 工程化人才培養模式的思考與實踐[J]. 理工高教研究，2009(6)：113-115.

[13] 林健.“卓越工程師教育培養計劃”通用標準研制[J].高等工程教育研究，2010 (4)：21-29.

[14] 林 健. “卓越工程師教育培養計劃”專業培養方案研究[J]. 清華大學教育研究，2011，32(2)：47-55

[15] 彭熙偉，廖曉鐘，陳金兵. 工科專業研究型教學模式探討[J]. 高教論壇，2011(11)：39-40.

Reform of Innovative Experimental Teaching of Digital Circuit Driven by Research Projects

LIXu,ZHANGWei-gong

(School of Instrument Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To cultivate “excellent engineers”, an innovative experimental teaching driven by research projects is introduced into the teaching of digital circuit course. Its main purpose is to make the students obtain the innovation practice ability. Based on research projects, experimental themes of the innovative experimental teaching are designed according to the principles of "orderly integration, moderate difficulty, and innovation practice". During the implementation of the innovative experimental teaching, the students play the principal role, whereas the teachers play the guiding role. The test evaluation is determined by both the process behavior and the final result. Teaching practices showed that it can stimulate the students' enthusiasm and creativity, and can cultivate their innovative and practical capability to solve practical problems. The innovative experiment teaching introduced in this paper enriches the experiment teaching system of digital circuit course, its experience can also be popularized in other similar courses.

project driven; digital circuit; educational reform; experimental teaching

2014-06-12

國家自然科學基金(61273236)；國家科技支撐計劃重大課題(2009BAG13A04)；東南大學校級教學改革與研究項目(2013-153)

李 旭(1975-)，男，河南南陽人，博士，副教授，從事數字電路的教學研究以及汽車電子科研。

Tel.：13601463199；E-mail：lixu.mail@163.com

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1006-7167(2015)01-0168-04