從數(shù)字電路課程淺談探究式教學改革

張明新

[摘 要] 在學科與專業(yè)背景下，探討以問題為導向的教學改革設計，形成探究式教學過程，培養(yǎng)和激發(fā)學生學習興趣、長期的關注力，再通過問題的解決方案實現(xiàn)，從而促進專業(yè)知識體系的形成和專業(yè)素質、專業(yè)能力的提升。

[關 鍵 詞] 數(shù)字邏輯；教學改革；問題設計；關注力

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）19-0080-02

一、引言

數(shù)字電路課程是電子類學科重要的基礎課程，具有理論教學和實驗教學相結合的特點，數(shù)字電路一般開設在較早的低年級階段，是進入專業(yè)課程結構體系學習的開端，此時，在專業(yè)介紹的基礎上，通過構建專業(yè)課程的知識結構關系圖，輔以有關課程設計，以及知識綜合應用的專業(yè)設計，不僅能夠增進學生對專業(yè)本身的認識和理解，也能夠促進學生對學習目標的更好把握，學什么、怎樣學的問題就更加明晰。通過專業(yè)設計模式的教學改革[1-4]，從而激發(fā)學生學習的興趣，培養(yǎng)學生長期的學習關注力。

以數(shù)字電路課程為先導，結合后繼專業(yè)課程形成以專業(yè)設計為導向的探究式、系統(tǒng)性的教學改革，實現(xiàn)啟發(fā)式、引導式教學，通過問題的驅動有效促進學生專業(yè)綜合素質與知識創(chuàng)新應用能力的培養(yǎng)。

二、數(shù)字電路課程教學的分析與研究

電路可以總括為模擬電路和數(shù)字電路，從1906年電子管誕生后人類進入電子時代，之后相繼研發(fā)出半導體器件和集成電路器件，人類又進入數(shù)字時代。在此背景下，數(shù)字電路課程（也稱邏輯電路，或數(shù)字技術基礎課程等名稱）的內容得到不斷發(fā)展和補充，近幾十年來，該課程的主要內容仍然是邏輯代數(shù)基礎、門電路及其設計原理，組合邏輯電路和時序邏輯電路，以及專用功能的邏輯電路，如模數(shù)/數(shù)模電路等，但新的技術也不斷補充到教學內容，如可編程邏輯電路知識等。

對電子類學科或專業(yè)而言，除基礎理論研究外，一個突出的特點就是知識的設計應用，特別是數(shù)字電子技術應用極其廣泛，而電子技術應用設計按功能結構一般可以分為三個大模塊，即控制模塊、驅動模塊、接口。數(shù)字邏輯課程涉及的知識，主要應用在驅動模塊、接口電路中。為此，在教學過程中，除了講授專業(yè)知識和技術外，還要結合應用特點，并圍繞課程設計進行應用性分析。

三、以問題導向的探究式教學改革

探究式教學應從課程和專業(yè)兩個層面進行規(guī)劃，實現(xiàn)課程設計和專業(yè)設計，通過問題設計，建立相應的可行性技術方案，將專業(yè)知識系統(tǒng)地聯(lián)系起來。問題設計要以課程設計為基礎，專業(yè)設計為提升的目標，在學習實踐過程中，采用先行導入的方式，即在首門專業(yè)課程教學開始的時候，或開設專門的導入課程，來部署問題設計方案，這樣能夠改變傳統(tǒng)的學生被動學習模式，從而激勵學生自主學習或主動學習。

課程設計主要是促進學生積累經(jīng)驗和自我學習能力的培養(yǎng)，進而加強學生對知識學習與知識創(chuàng)造應用能力的培養(yǎng)。例如，數(shù)字電路課程設計，應放在學科或專業(yè)的背景進行分析研究，突出課程知識的學習外，還要構建相關課程知識的聯(lián)系，培養(yǎng)學生初步構建專業(yè)意識，以及知識學習、知識應用的全面性和系統(tǒng)性。

專業(yè)設計主要是將相關課程知識融會貫通，實現(xiàn)學生專業(yè)技能綜合培養(yǎng)。在實施問題導向的教學實踐中，要構建相應的評價目標，組織保障，以及相關設計原則等措施，推進教學改革的良性發(fā)展。

（一）基礎教學環(huán)境評價

教學環(huán)境是實施教學的基本資源，如師資隊伍、學生的組織與管理、實驗平臺、見習實習場地等校內外教學資源，這也是進行課程設計的基本要素，影響到課程設計的范圍、難易程度、可行性等，進行教學環(huán)節(jié)評價就是確定課程設計的可行性方案內容之一。

就師資隊伍而言，要組織好理論教學、實驗教學、實習指導等分工，進而在課程設計、專業(yè)設計中承擔具體任務分工，以及對學生進行組織、部署和實施設計任務。

（二）制訂學習計劃

對課程設計和專業(yè)設計的方案，要部署學生的學習計劃，要求學生在教學進程中，完成階段性或整體目標任務，在學習過程中動態(tài)掌握學生的學習狀況。

（三）實施成效評價

建立考核目標，確立考核方式。按照課程設計和專業(yè)設計的方案，建立考核目標評測點，對學生在知識掌握和應用能力等方面上進行目標考核，可以結合傳統(tǒng)的考試、考查等方式，來對知識掌握情況進行測試；而對知識應用能力上，如通過答辯等形式對應用設計方案進行評價，同時，加強在教學進程中的動態(tài)測評和觀測評價。

（四）組織保障

建立領導組織機構，抓教學改革的實施。在學生組織管理上，可采用學習小組模式，圍繞設計目標，定期開展學習交流研討，加強學生交流合作，培養(yǎng)團隊協(xié)作意識。

（五）課程設計的原則

課程設計的目標：以學生學習和問題導向為中心進行規(guī)劃設計方案，學生學習為中心就是強調課程的組織形式要產(chǎn)生于學生的需要、興趣和目的；問題導向中心的設計更強調集體的作用，學生在追求興趣的過程中，會碰到某些必須加以克服的困難和障礙，把困難構成真正的、學生渴望以挑戰(zhàn)而接受的問題[5]，從而聚集力量來解決問題。

課程設計的內容主要分為三個層次進行設計，一是實現(xiàn)任務的原理和技術準備及其分析，形成明確的技術路線；二是應用設計，實現(xiàn)任務的技術方案，三是動手搭建實驗環(huán)境，實現(xiàn)具體任務功能。

課程設計結合教學內容和相關教學活動進行計劃、組織、實施、評價、修訂，以最終達到課程教學目的。課內與課外相結合，問題設計中所涉及的知識結構，除了課程中的知識外，必然也涉及一定的課外知識和技術等內容，并明確這部分知識的獲取方法和途徑，以便學生能夠在課余進行自學，以期鍛煉與培養(yǎng)學生探求新知識的方法和能力。階段性與整體性相結合，因為問題設計是面向專業(yè)學習過程，階段性目標要明晰，并要明確該目標在整體中的關系。教學與研討相結合，隨著教學的推進，要圍繞問題進行分析與研討，對階段性的目標完成情況進行總結，促進目標的實現(xiàn)。

（六）專業(yè)設計的方法

專業(yè)設計是建立在課程設計的基礎上，盡可能涵蓋更多的課程設計內容，進行方案規(guī)劃。此時，通過幾年課程設計的學習和訓練后，學生的知識儲備、學習研究能力，以及解決問題的能力都具有一定的水平，專業(yè)設計確定具體任務要求和目標，就可以組織學生開展專業(yè)設計的教學實踐活動。當然，對能力較弱的學生或學習小組，就要針對具體情況給出詳細的專業(yè)設計方案，并指導他們進行專業(yè)設計教學。

此時，專業(yè)設計方案應包括：（1）問題的導入分析，將任務目標明確到課程所涉及的知識、技術基礎環(huán)節(jié)；（2）圍繞任務目標，進一步明確課程設計方案實現(xiàn)的技術路線；（3）解決問題的技術集成，形成專業(yè)設計方案。

探索以問題導向的探究式教學改革，關鍵在于課程設計和專業(yè)設計上，并輔助于計劃、組織、實施、評價等教學環(huán)節(jié)，著力激發(fā)學生自主能力、學習興趣，以及學習關注力，開闊知識視野，培養(yǎng)知識應用綜合技能，訓練創(chuàng)新思維。

四、案例設計分析

就電子類專業(yè)而言，培養(yǎng)方案所涉及的課程主要有這樣幾種類型：電子類專業(yè)知識課程，如數(shù)字電路、線性電路等；與之結合的控制類課程，如微機原理、單片機、程序設計等；以及人文素養(yǎng)類課程等。好的設計方案能夠涵蓋這些課程，或者包含更多的主要課程知識內容，從而系統(tǒng)地融合專業(yè)知識架構，使學生能夠更深刻地理解專業(yè)特點，促進專業(yè)素質培養(yǎng)。

本案例以幼兒益智產(chǎn)品設計與開發(fā)為例進行分析。

（一）功能分析

該任務分為應用功能和設計功能等方面。應用功能就是實現(xiàn)幼兒在家長的引導下，感知數(shù)字符號和音樂樂符，可以結合聲光特效增強感知效果。

設計功能分為輸入模塊、處理模塊、輸出模塊，以及輔助設計功能等。輸入模塊，包括鍵盤設計、信號處理、接口實現(xiàn)等。處理模塊，包括程序設計、接口設計、驅動控制設計（如單片機）等。輸出模塊，包括聲/光效果處理、顯示屏幕、接口實現(xiàn)等。產(chǎn)品定型，完成可用性時要考慮幾個方面，如外形材料、產(chǎn)品安全等。

（二）課程設計

從功能分析可知，該案例涉及許多課程知識和課程外相關技術，程序設計、單片機技術、信號處理技術、數(shù)字電路等課程。

就案例中接口技術的要求，更多地集中在數(shù)字電路課程知識的應用，主要包括電路狀態(tài)的鎖存、數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ捞幚怼⒙曇襞c光控制與驅動等，為此，在對數(shù)字電路課程設計時，要求設計若干任務目標，明確完成相關技術的實現(xiàn)，并在實驗平臺上進行驗證[6]。

五、方案優(yōu)化

（一）功能擴展

方案設計的擴展，也可以從也應用功能和設計功能分別進行擴展，增加更多功能，實現(xiàn)更多的實用性。如在本案例中，通過功能擴展可以實現(xiàn)拼音字母的認識，或英文字母的識字等；對設計功能上的擴展是要增強應用功能為目的擴展，對幼兒的體重、身高測量，以及手或手指的力量測量等功能，這又涉及數(shù)據(jù)處理功能擴展，就要增加接口（藍牙、無線、USB等）實現(xiàn)數(shù)據(jù)遷移，同時，內含軟件功能的升級等。

（二）優(yōu)選

從上述分析看到，就某個具體功能可能有多種實現(xiàn)方法，如鍵盤設計，如何進行選定最終實現(xiàn)，就需要優(yōu)選，選擇的主要因素不僅涉及技術層面的知識，還能體現(xiàn)學生的社會人文素養(yǎng)，包括節(jié)能意識、安全、降低成本問題等綜合素質。

六、總結

作為專業(yè)基礎課程，數(shù)字電路課程對學生建立專業(yè)知識體系具有十分重要的作用，切入以問題為導向的教學模式的改革，能夠激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)長期的學習關注力，再通過問題的解決方案實現(xiàn)，更有效促進學生專業(yè)知識體系的形成和專業(yè)素質、專業(yè)能力的提升，激發(fā)和培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識，對知識創(chuàng)造性應用的能力培養(yǎng)能夠發(fā)揮積極作用。

參考文獻：

[1]李艷玲.數(shù)字電路課程的教學改革與實踐[J].大學教育，2013（2）：129-130.

[2]茅云杰.遠程虛擬電路實驗的研究及實現(xiàn)[D].浙江大學，2006.

[3]閻石.數(shù)字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2016.

[4]趙柏樹.數(shù)字電路實驗教學改革的實踐與探索[J].黑龍江教育（高教研究與評估版），2005（10）：25-26.

[5]劉銀萍，陳慧珊.“數(shù)字電子技術”實驗教學改革的探討[J].實驗室研究與探索，2006（8）：981-983.

[6]劉浩斌.數(shù)字電路與邏輯設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.