計算機數字邏輯課程一體化教學初探

張蔚+梁惺+彥顧暉

摘 要 根據數字邏輯技術課程特點，以卓越工程師計劃為依托，從職業技能培養入手，闡述理論教學與實驗、設計、應用融合的一體化教學目標、思路及方法，介紹通過以案例實訓為職教形式的計算機數字邏輯課程教學改革、實現一體化教學的相關工作與研究。

關鍵詞 計算機數字邏輯；一體化教學；實驗教學；Proteus；教學資源

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）24-0123-03

Research and Realization in Integrated Teaching of Digital Logic//

ZHANG Wei， LIANG Xingyan， GU Hui

Abstract Based on the excellence engineer plan， according to the characteristics of the Digital Logic course， and focusing on the prac-

tical skills training， this paper elaborates the goals， ideas and methods

which are used in the theory-experiment-combined and design-app-

lication-integrated teaching in the course. The paper also emphasizes the teaching reform of the digital logic course and the research in the

actualizing of integrated teaching.

Key words digital logic； integrated teaching； experimental teaching； Proteus； teaching resources

1 課程背景

計算機數字邏輯課程是高校計算機專業的必修基礎課程，在知識結構中承上啟下，可以為后續課程如組成原理、體系結構、接口技術乃至嵌入式系統應用等構筑理論基礎。其主要內容包括邏輯代數基礎、門電路構成與分析、組合邏輯電路、時序電路脈沖、時基整形電路組成及常用集成電路應用等[1]。課程理論知識完整且復雜，不僅有數學理論的要求，有方程推導和公式演化，也有物理工藝與原理的討論，更注重電路分析能力和系統設計能力的培養。

傳統的計算機數字邏輯課程教學中，教師追求“講全、講細、講透”的理論課堂講解，學生花費大量精力去記憶公式、器件，計算電路中各信號變化，對計算機專業學生和電子工程、電氣工程等專業學生沒有進行差異化培養，使得計算機專業學生在接受課堂理論教學時易于感覺枯燥無意義，而實際設計操作時又變得無從下手，不少學生學習信心低落，教學效果不佳。

自南通大學計算機專業被納入江蘇省卓越工程師教育培養計劃，筆者所在教學團隊針對數字電路和數字邏輯課程理論體系完整、工程實踐應用程度高的課程特點，以專業認證和審核評估為預期，將之重塑為計算機數字邏輯設計，對該課程在工程人才培養框架下進行一體化整合，將理論基礎提高和應用技能培訓相融合，并切實貫徹到教學過程，進而構造出一個適合于應用型工程人才培育預期的課程教學體系，助力增強教學效果。

2 一體化教學設計

一體化教學是綜合利用現代教育技術，基于工程人才培養要求的課程教學目標，將實施課程教學的各個環節及相關因素融合于一體的教學模式。涉及：

1）課程內容的一體化設置，即理論部分和實踐內容的拼接整合；

2）教學形式一體化實施，實現施教者的原理講授、操作演示跟受教者的課堂聽課、現場聽講及實驗訓練的交互融合；

3）教學環境與教學資源的一體化，將教室、實驗室及實訓場所等硬件資源與互聯網、虛擬技術和多媒體輔助等數字軟件資源一體化配置；

4）培養目標的整體化，實現專業理論知識、專業設計技能、職業素質和工程能力要求的一體化訓練。

由此，形成融知識傳授、能力培養、素質教育于一體的教學模式[2]。

針對計算機類學生培養目標和課程教學預期，通過組織計算機類各學科專家、教師進行座談研究，歸納出若干典型工程應用設想；在此基礎上，進一步總結分析出各個典型工程所涉及的知識與技能；并組織任課教師，將這些工程應用分解成若干個知識模塊，轉換成教學過程可以實施的教學設想和學習任務，設計重構出若干學習情境，內容上化繁入簡、去蕪存菁，規劃出適合于計算機類工程人才培養的施教內容和教學任務。具體知識點順序及對應的學時分配如表1所示。

3 教學組織與實施

師資隊伍建設 教師是知識的傳遞者，是教學活動的組織者。要落實一體化教學，保障專業理論傳授與實踐項目訓練有機結合，實現高效率施教，則需要“教師—工程師”一體的“雙師型”教師。這就要求施教者必須具有扎實專業理論、教學經驗和教師職業能力，同時需要具備工程視野，具備一定的工程經驗，能較好地解決工程、生產中的實際問題，從而可以通過教學活動中的言傳身教，將工程應用所需要的相關理論知識、操作技能、設計思維、開發經驗以及職業態度傳授給學生。

在計算機數字邏輯設計課程改革期間，首先組織教師參加各類培訓學習以提高教學技能，參與參觀廠企和實訓基地建設以增進工程素養和職業培訓觀念，努力實現“理論專能”到“理職相融”的轉型；其次，通過團隊導師形式優化師資配置，形成以老帶新的合理化隊伍結構，使專業課理論教師投入并逐步熟悉實驗實踐及實訓教學，并根據教學各個環節的特點和學生素質，不斷調整教學手段、優化教學形式，同時也提高教師自身實訓操作能力和指導學生工程訓練的教學能力；最后，依據一體化教學目標，通過對教學內容和知識體系的分析，建立多個教學子模塊，并以此分配負責教師，形成高效的教學鏈。endprint

實訓與仿真平臺建設 傳統的計算機數字邏輯實驗設備一般采用模組型試驗箱實現，學生根據實踐指南，將不同器件和功能模組之間進行連線即可完成硬件設計。該方法優點在于實驗操作難度低、實驗完成度高，減輕教師實驗教學工作量和實驗室維護難度。但這種幾近于“傻瓜式”的操作，一方面，教師的實踐教學參與度不高，知識傳授和實踐培訓力度不強；另一方面，由于模組型實驗設備設計上的內部原理透明性，使得對于電子電路基礎較弱的計算機專業學生而言，很難理解實驗箱和實訓平臺中各模組的插孔、連線與數字系統整體之間的聯系，更難以落實對計算機系統的感性認識。

為兼顧“認知”與“操作”，本課程采用以計算機仿真設計為主、硬件板驗證為輔的實踐方案，利用Proteus軟件良好的數字電路仿真能力、直觀的原理圖描述和可視化三維成品效果，幫助學生自主設計、實現各個一體化教學案例，有效增強實驗實踐效果。圖1為利用基本器件搭建內存單元的Proteus仿真實驗。圖2為自行設計的猜生肖仿真作品。

教育技術與教學方法 一體化教學過程是理論教學與工程生產實踐緊密結合的體現。本教學團隊在教學實施中改變傳統的理論課和實踐課分段講授的模式，充分利用互聯網絡、移動終端和計算機虛擬仿真技術，實現邏輯電路原理知識與實際項目設計應用的穿插拼接，構造理論知識應用于工程實踐的一體化教學情境，努力讓施教、受教雙方得到理想的教學體驗。受限于教學場所的建設條件和生源配比，徹底取消“理論—實踐”分段化，不符合目前教學實情。因此，適時適宜地運用現代教育技術，充分利用電化教學、網絡平臺和移動終端，使工程實踐案例在理論課堂形象再現，幫助學生直觀記憶。

在教學情境構造上，通過實行交互式課堂組織，將傳統理論課堂重構為模擬的工程應用討論現場，將工程參與融入學習參與，增強一體化課堂教學效果。在教學實踐過程中，除了實驗教具和設備，靈活利用多媒體教學和線上資源，利用“雨課堂”等PC-手機的同步教輔工具，實現師生便利的“多對多”交流，助力學生邊做邊學的“雙邊”學習；同時，通過Blackboard、QQ、百度云等新型教輔平臺和公共交流及資源平臺，強化課余復習、自我訓練和實驗準備等環節，讓課程講義和工程案例可以在PC或手機上點播重演，讓過程評價在網絡同步，逐步培養計算機類學生自主學習、自我約束、文案書寫和項目管理等職業素養。

教學資源建設 一體化教學助力于將工程應用融合到教學過程中，因此需要根據學生的知識層次和工程人才培養定位，結合本校計算機學科的專業區分度，重選重編適用性講義教材和教學資源，定制以工程能力培養為目標的實驗實踐材料。表2給出依據課程教學計劃所擬定的資源建設任務。

依據集中討論、模塊負責的制作原則，讓每位主講教師熟悉課程各項內容和資源，通過由易入難的任務引領學生專業技能的逐步提高，通過應用方案的靈活多樣，誘發學生求知興趣，達到做與學的統一。

教學過程管理 教學過程的監控管理是落實課程教學任務、保證課程教學質量的關鍵。在實施中，針對各項實踐任務，學生對設計方案與運行結果進行分析總結，保存原理圖文件和仿真輸出，將實驗成果結合理論知識制作Word或PDF報告，進行展示、講解、討論和評價。整個教學過程中，通過現場考核和課后線上/線下遞交的形式，綜合運用單項教學環節考核、階段性能力測試和實訓任務評級，保證學生在整個教學過程中的參與度；通過學校、學院組織的學生評教、同行反饋和課程階段性討論評價等，保障教師在教學實施各環節的達成度。通過師生統一觀念、同心協力、符合規律，達成培養目標。

4 結語

在一體化教學改革實驗教學過程中，大部分學生對課程的學習興趣保持較高水平，實踐環節的完成度和成功率都比較理想，課外練習和作業完成情況也較往年有很大改觀。通過一年的課程教學改革與建設，初步達成師資團隊建設，逐步完善課程教學方案，豐富了教學手段，實現了多元化教學形式，并加強教材建設，完善網絡教學資源庫，有效保證了課程教學質量和效果；另一方面，各個教學環節的落實使學生初步掌握課程相應的操作技能和理論知識，逐步接受工程理念，積極將所學知識與實際應用相結合，乃至培養創業能力和創新能力。

參考文獻

[1]劉雅琨.電子技術課程實施一體化教學模式探索[J].信息與電腦：理論版，2014（4）：254-255.

[2]彭情，潘元忠.電子技術一體化教學改革研究[J].輕工科技，2017（1）：130-131.

[3]肖偉才.理論教學與實踐教學一體化教學模式的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，30（4）：81-84.

[4]林健.基于工程教育認證的“卓越工程師教育培養計劃”質量評價探析[J].高等工程教育研究，2014（5）：35-45.endprint