基于項目實踐模式的數(shù)字電路教學(xué)改革探索

[摘 要]針對當(dāng)前數(shù)字電路教學(xué)過程中存在的學(xué)生主動性不足以及理論教學(xué)課時壓縮的現(xiàn)象，項目組采用基于項目實踐教學(xué)模式，將項目驅(qū)動教學(xué)方法引入課程教學(xué)過程中，進(jìn)行理論教學(xué)、常規(guī)實驗教學(xué)和項目驅(qū)動型實驗教學(xué)三位一體教學(xué)改革，通過理論學(xué)習(xí)、仿真驗證和實物制作的多環(huán)節(jié)訓(xùn)練，加強(qiáng)實踐教學(xué)力度。實踐結(jié)果表明，基于項目實踐模式的數(shù)字電路教學(xué)改革增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊合作能力、動手能力和創(chuàng)新意識，產(chǎn)生了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]項目實踐；數(shù)字電路；教學(xué)改革；任務(wù)驅(qū)動

[中圖分類號] G423 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）12-0033-03

數(shù)字電路是諸多工科學(xué)院的專業(yè)基礎(chǔ)課程，特別是我校電氣信息工程學(xué)院電氣、自動化、電子、通信等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有極強(qiáng)的實踐性和創(chuàng)新性，因此電路課程也是各門專業(yè)課程教學(xué)中尤為重要的入門課程，是本科教學(xué)的重點建設(shè)課程。

北方民族大學(xué)作為一所民族高校，擔(dān)負(fù)著為民族地區(qū)培養(yǎng)優(yōu)秀人才，服務(wù)少數(shù)民族和民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重任。[1]因此，學(xué)校學(xué)科結(jié)構(gòu)定位為以應(yīng)用學(xué)科為主，發(fā)展工科教育，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。數(shù)字電路作為一門應(yīng)用性極強(qiáng)的學(xué)科，已成為學(xué)校多個工科學(xué)院課程體系中的核心內(nèi)容，其教學(xué)質(zhì)量直接影響到后續(xù)多門課程的教學(xué)工作。[2]因此，在我國電子信息類課程體系不斷改革創(chuàng)新的背景下，提高數(shù)字電路課程的教學(xué)質(zhì)量，真正做到因材施教，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是當(dāng)前學(xué)校“三電”教學(xué)團(tuán)隊亟待解決的一個難題。

在數(shù)字電路邏輯電路實驗教學(xué)改革方面，東南大學(xué)的徐瑩雋通過開放實驗教學(xué)平臺為支撐的開放教學(xué)模式，提高了學(xué)生的實踐水平[3]；湖北工業(yè)大學(xué)的韋琳等人提出以數(shù)字時鐘為載體，通過組合邏輯、時序電路和脈沖產(chǎn)生整形三大板塊將全部教學(xué)要素整合在一起進(jìn)行教學(xué)改革的思路，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性[4]；深圳大學(xué)潘曉蘋采用CDIO項目規(guī)劃方法進(jìn)行數(shù)字電路實驗課程改革，通過項目規(guī)劃、設(shè)計、實施、驗收等階段，促進(jìn)學(xué)生對數(shù)字電路工程基礎(chǔ)知識的掌握。[5]然而，上述教學(xué)改革探索主要集中在相關(guān)實驗領(lǐng)域，注重強(qiáng)調(diào)實踐環(huán)節(jié)的完成，對理論與實驗銜接關(guān)系研究不足。此外，相關(guān)研究側(cè)重強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動性，對基礎(chǔ)薄弱學(xué)生的成長關(guān)注不足，無法直接應(yīng)用在民族高校的教學(xué)中。

項目組將圍繞數(shù)字電路課程教學(xué)中的“教”與“學(xué)”過程[6]，針對近些年來民族高校數(shù)字電路教學(xué)過程中存在的生源差異性大、課外學(xué)習(xí)主動性差、動手意愿不足等問題，在理論教學(xué)中適度引入小的工程項目，通過組建學(xué)生項目團(tuán)隊，實施課堂內(nèi)外理論+實踐混合式教學(xué)，將理論、仿真、制作融于一體，提高學(xué)生的動手能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，達(dá)到培養(yǎng)具有初步工程實踐意識的應(yīng)用型人才的目的，以在改進(jìn)數(shù)字電路教學(xué)方法的同時，逐步提高學(xué)生的工程創(chuàng)新能力。

一、教學(xué)改革與實踐

隨著工程教育改革的逐步深入和工程認(rèn)證實踐工作的開展，基于CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate）理念的工程教育模式已逐步在工科課程體系中推廣。作為工科基礎(chǔ)課程的數(shù)字電路課程，更需要采用相關(guān)理念進(jìn)行教學(xué)改革探索，以適應(yīng)時代發(fā)展的要求，提高學(xué)生的工程實踐素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

（一）目前存在的問題

傳統(tǒng)的數(shù)字電路教學(xué)過程中存在許多亟待解決的問題：首先，北方民族大學(xué)地處西北偏遠(yuǎn)地區(qū)，其生源來自全國31個省市自治區(qū)，覆蓋56個民族，特別是65%的學(xué)生來自農(nóng)村或偏遠(yuǎn)貧困山區(qū)，電子信息專業(yè)39%的學(xué)生為少數(shù)民族，學(xué)生個體素質(zhì)差異大，自學(xué)能力不足，部分學(xué)生在聽課中有一定的語言障礙；其次，隨著新一版本科人才培養(yǎng)方案的調(diào)整，學(xué)校對總學(xué)分進(jìn)行了調(diào)整，以工科專業(yè)為例，調(diào)整后總學(xué)分不超過170學(xué)分，對專業(yè)基礎(chǔ)課的理論課時和教學(xué)內(nèi)容也進(jìn)行了一定程度的壓縮，這樣致使學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握不牢靠；第三，理論和實踐教學(xué)嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論后，尚未建立起工程實踐的概念，就迅速進(jìn)入課程設(shè)計和實訓(xùn)教學(xué)過程中，沒有學(xué)會融會貫通，難以獨立完成設(shè)計類實驗。

以上問題是學(xué)校電子類課程較為共性的問題，并突出反映在數(shù)字電路課程中。因此，解決好數(shù)字電路課程中的問題可以起到較好的帶動示范作用。分析以上現(xiàn)象的根源，主要是沒有解決好“教”與“學(xué)”過程中教學(xué)主體的問題。[6]傳統(tǒng)的教學(xué)過程過于強(qiáng)調(diào)“教”的作用，以知識灌輸為基本方式，以知識的可再現(xiàn)為教學(xué)目標(biāo)。在這種情況下，很難提升課時內(nèi)教學(xué)的質(zhì)量，并發(fā)揮理論與實踐相結(jié)合的優(yōu)勢，對提升教學(xué)效果無益。

（二）教學(xué)改革的思路

要實現(xiàn)理論與實踐結(jié)合，更好地解決“教”與“學(xué)”的問題，就需要采用以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方式，將學(xué)習(xí)過程融入實際動手操作中來。采用項目驅(qū)動方法實施教學(xué)就能夠更好的實現(xiàn)教與學(xué)的統(tǒng)一，較好的解決上述問題。項目驅(qū)動法作為CDIO教學(xué)理念的一種延伸，是在一門具體課程里對卓越工程師培養(yǎng)方法的一種嘗試。

因此，本文擬圍繞提高學(xué)生動手能力和學(xué)習(xí)興趣，采用課堂教學(xué)為主，課下項目團(tuán)隊實踐合作為輔的教學(xué)方式，同時對教學(xué)環(huán)節(jié)加強(qiáng)過程評價，以達(dá)到提高教學(xué)效果的目的，最終爭取實現(xiàn)：提高學(xué)生動手實踐能力、加強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊合作創(chuàng)新精神、探索教學(xué)過程中學(xué)業(yè)評價體系改革方法、帶動學(xué)院內(nèi)工程教育類課程改革。

實施中采用理論教學(xué)、常規(guī)實驗教學(xué)和項目驅(qū)動型實驗教學(xué)共同構(gòu)成數(shù)字電路“三位一體”的教學(xué)新模式。其中，新引入的項目驅(qū)動型實驗教學(xué)環(huán)節(jié)處于該模式的最頂端，對于學(xué)生各方面素質(zhì)的綜合培養(yǎng)具有顯著的優(yōu)勢，能夠更好地將培養(yǎng)具有工程實踐能力的合格畢業(yè)生落到實處，見圖1。

二、教學(xué)改革的實施及效果

（一）教學(xué)改革的實施

1.理論課程教學(xué)改革

在常規(guī)的教學(xué)過程中常以任課教師的滔滔不絕的灌溉式教學(xué)為主，課堂上教師全力講，講臺下學(xué)生不假思索一味地接受著信息量較大的知識點，但在應(yīng)用時，學(xué)生不能夠做到舉一反三、融會貫通、真正的全面理解。問題導(dǎo)向式教學(xué)，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，學(xué)生積極發(fā)問，達(dá)到所講為所學(xué)，所學(xué)為所問的目的，使得整個班級的學(xué)習(xí)積極性、主動性得到提升，增強(qiáng)課堂上學(xué)生與教師的互動性，同時，也能讓學(xué)生更好的理解所學(xué)的知識，加強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。endprint

此外，利用知識樹體系傳授法，將學(xué)科知識進(jìn)行系統(tǒng)分類和重點知識歸納，督促學(xué)生鞏固相關(guān)的知識點，分析相關(guān)內(nèi)容的知識結(jié)構(gòu)，使得知識點不再是單一的生硬的知識點，而是知識點之間互為基礎(chǔ)、互相聯(lián)系，讓學(xué)生建立數(shù)字電路的知識框架，從而更好的了解自己所學(xué)的知識。

2.常規(guī)實驗教學(xué)改革

在常規(guī)實驗教學(xué)中，以驗證型實驗為基礎(chǔ)，提高學(xué)生的實際動手操作能力和分析解決問題的能力。在常規(guī)實驗教學(xué)中，要充分挖掘?qū)W生潛力，教師要有計劃地傳授科研要素的知識，引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)并予以實踐，從四個方面初步培養(yǎng)大學(xué)生的科研能力，即用理論指導(dǎo)科研的能力、實驗過程中的動手能力、實驗數(shù)據(jù)分析能力和科技寫作能力。在實踐中，驗證型實驗按照實驗指導(dǎo)書方式正常進(jìn)行，設(shè)計類采用項目式和問題啟發(fā)式教學(xué)。可以設(shè)計一個小的有問題的電路讓學(xué)生團(tuán)隊找出問題所在，并利用項目學(xué)習(xí)整個實驗內(nèi)容。按照原有實驗教學(xué)過程區(qū)分出組合邏輯、時序邏輯、譯碼電話和時鐘單元等部分，根據(jù)整個實驗教學(xué)完成的情況為每個項目團(tuán)隊進(jìn)行評價和打分，并將此作為平時成績。

3.項目驅(qū)動式教學(xué)改革

以2016年度數(shù)字電路課程實施為例。針對當(dāng)前學(xué)生在實物制作過程中動手能力差，電路原理不清楚的問題，采用虛擬仿真設(shè)計和實物制作相結(jié)合的項目任務(wù)完成方式。先要求學(xué)生對布置的制作項目進(jìn)行仿真[7]，然后在仿真基礎(chǔ)上進(jìn)一步搭建硬件電路進(jìn)行調(diào)試。

教師在課堂上通常只通過多媒體課件來分析數(shù)字電路的原理及運行結(jié)果，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍感到知識點抽象難理解，掌握程度浮于表面，很難理解其中真正含義。因此，可要求學(xué)生成立項目組，在相關(guān)知識介紹完成后，讓學(xué)生自己動手進(jìn)行相關(guān)實驗，并將實驗結(jié)果形成報告，作為學(xué)業(yè)評價的一個組成部分。

在項目驅(qū)動式教學(xué)方法中，整個教學(xué)工作分為課內(nèi)工作、課外工作和總成績給出三個部分。其中教師在課內(nèi)完成講授工作，在課外給出項目題目和仿真內(nèi)容。而學(xué)生則要在聽課的基礎(chǔ)上，自行組建自己的項目團(tuán)隊，完成教師給出的任務(wù)和實物制作環(huán)節(jié)。最終，在學(xué)生所做實物和考試成績的基礎(chǔ)上，老師給出課程的總成績，見表1。

考慮到不增加學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān)，相關(guān)電路設(shè)計項目的數(shù)量為5個，在項目布置中主要遵循教與學(xué)有機(jī)結(jié)合、難易程度適中、創(chuàng)新與實踐并舉的三個原則。目前實施的項目包括：最簡邏輯電路的實現(xiàn)、搶答電路的實現(xiàn)、運動速度測量、溫濕度檢測、非法進(jìn)入物體報警。實施過程中，平均每四周完成一個項目，并且撰寫小的研究報告。具體的實施流程見圖2。

在考核評價中，避免僅以實驗報告定成績的方式，而采取“結(jié)果性”與“過程性”考核相結(jié)合的方式，既注重學(xué)生的實驗報告成績，又關(guān)注學(xué)生在創(chuàng)新型實驗教學(xué)過程中所體現(xiàn)的態(tài)度、工程實踐能力和團(tuán)隊協(xié)作意識等。在過程性考核方面，對考核指標(biāo)進(jìn)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(tuán)隊合作情況等，其中團(tuán)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(xué)生不單純?yōu)榱朔謹(jǐn)?shù)而學(xué)習(xí)，而更側(cè)重于對學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的評價及引導(dǎo)。另外，在匯報展示環(huán)節(jié)，教師可針對每個人的任務(wù)分工設(shè)置相應(yīng)問題來質(zhì)詢，以考察每個成員真正的參與程度及完成情況。具體考核內(nèi)容構(gòu)成及評分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

（二）教學(xué)改革的結(jié)果

本次2016年度的課程改革受到了電子信息工程專業(yè)學(xué)生的歡迎，學(xué)生在活動中積極性比較高。在實施團(tuán)隊整合階段，各團(tuán)隊都起了較為新穎別致的團(tuán)隊名稱，并制訂了參與人相應(yīng)的工作要求，使得原本對課程沒興趣的學(xué)生增加了學(xué)習(xí)興趣；在模擬仿真訓(xùn)練中，不少學(xué)生首次使用電路仿真軟件，并積極查閱資料，詢問相關(guān)軟件使用技巧；在實物制作階段，學(xué)生擺脫了千篇一律的結(jié)果，制做的實物有了一定的創(chuàng)新性和實用性。

總的來看，除個別學(xué)生外，大部分學(xué)生能夠按照要求，完成理論、仿真和實物制作三部分工作，并具備了初步的團(tuán)隊合作精神。部分團(tuán)隊在撰寫實驗報告時，增加了項目特點和遇到問題討論等環(huán)節(jié)。整個教學(xué)過程豐富了學(xué)生的課余生活，培養(yǎng)了學(xué)生的思考能力、合作能力和創(chuàng)新能力，在一定程度上符合CDIO培養(yǎng)要求。

三、結(jié)束語

作為高等教育工科專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，數(shù)字電路課程具有應(yīng)用實踐性強(qiáng)、抽象邏輯概念多的特點，是民族高校電子信息類課程教學(xué)中亟待突破的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。特別是在需要掌握的知識量急劇增加，學(xué)生理論學(xué)時不斷壓縮的今天，通過對該課程的教學(xué)改革探索出理論與實踐教學(xué)的銜接點，解決學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的問題，理順“教”與“學(xué)”的關(guān)系，對其他相關(guān)課程教學(xué)將起到重要的示范、帶動作用。

本文采用理論教學(xué)、仿真驗證、硬件實現(xiàn)三段式培訓(xùn)方案，通過自由組合、自主設(shè)計和自主創(chuàng)新，實現(xiàn)所學(xué)知識的融會貫通。實踐表明，教學(xué)中學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣能夠得到充分的調(diào)動，對學(xué)科建設(shè)和實驗室整體完善具有重要的意義。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]endprint