基于CDIO理念的數字邏輯及其實驗教學模式研究

及其實驗教學模式研究基金項目：貴州師范大學2015年度省級本科教學工程建設項目，項目編號：2015JG15，合同號：2016第18號。

付蘇嘉

摘 要：針對高校計算機專業“數字邏輯”課程教學的問題和現狀，以CDIO理念為指導，改進教學方法，加強教師引導，推進“在做中學，學中做”，提升學生學習計算機硬件課程的興趣，幫助學生提升設計數字電子系統的能力，從而獲得更好的教學效果。為后續計算機組成原理課程打下基礎，為學生適應計算機發展趨勢提供動力。

關鍵詞：數字邏輯；CDIO；教學模式；實驗教學

一、 問題的提出

數字邏輯課程在教學中作為計算機硬件結構的重要課程，起著重要作用。作為先修課程，數字邏輯應為后繼的“計算機組成原理”準備相應的邏輯電路設計知識、分析和設計技術。如何開展更為準確、具體的數字邏輯教學，將計算機硬件課程與軟件課程的知識更好地融會貫通，提升學生對數字系統的綜合設計能力，在當前的教學改革研究中，為后續課程奠定良好的學習基礎，是一個迫切而重要的任務。

分析目前我院“計算機科學與技術”本科專業的數字邏輯及其實驗課程的現狀，主要存在以下幾個方面的突出問題：

（一） 傳統教學模式的不足

數字邏輯課程以“教師講解+多媒體教學+習題練習”的方式進行教學。在整個課堂教學過程中，學生更多的是充當聽眾的角色，跟著教師的思路去理解、記憶相關的知識點，學生的“學”完全圍繞教師的“教”來進行，這種傳統的教師主動“教”的模式，只能帶來學生被動“學”的困境。不可否認，傳統的教學方法對學生快速掌握課程知識點具有顯著的效果，但局限性也非常明顯，多媒體教學演示方便，但演示的理論知識不夠生動具體；課后習題先由學生自行完成，批改后通過教師講解來解決，沒有對知識點形成更形象的補充，學生很容易感到枯燥、厭倦，導致抄襲作業的現象嚴重。

（二） 實驗資源配置不足，形式單一或過于簡單

由于受到場地建設時間的限制，尚未建立專門的硬件教學實驗室，實驗教學曾經采用過“仿真實驗”的形式，即使用仿真軟件和VHDL語言，在臺式計算機上模擬芯片的工作過程，使用軟件查看芯片的工作波形（如圖1所示）。這樣的教學形式，對于更具體形象地理解教學過程，幫助并不明顯。

經過相關教師的協調，課程采用了實驗箱進行實驗（如圖2所示），學生無需自行設計制作芯片，只要進行連線即可設計出需要的電路，對于使學生快速驗證和掌握理論課程的知識，有非常直觀的效果。

但實驗課程的教學方法主要是為了簡單驗證理論教學。學生一般只是根據實驗指導書中的既有實驗內容和步驟進行操作，并沒有激發學生對該門課的學習熱情，反之還降低了學生對實驗課的學習興趣。因此，如何提高實驗教學的趣味性和深度，使理論教學得到更好的驗證和支撐，是值得進一步研究的問題。

（三） 指導方法與評價機制受限制

由于缺乏設備，同時也受到教學場地和時間的限制，不僅是學生，教師自己也無法利用實驗器材設計和制作更復雜、更有趣味性的實驗，也就無法為學生提供更好的指導。

實驗結果的評價方式，以兩名學生為一組，提交實驗報告的電子文檔形式為主，教師批改后將意見反饋給學生。現有的實驗內容都是基本的驗證型、簡單設計型實驗，比較容易得出結果，教師也不會輕易給學生評價為不合格分數。在這樣的現狀下，不能精確判斷，是否小組中所有學生都達到了預期的學習效果？是否存在偷懶“搭車”的學生？無法找出學生之間的差距和問題，也就無法激發學生的學習興趣。

二、 課程內容的設計及實施

（一） CDIO教學理念

CDIO是美國麻省理工學院工程教育的一種經典模式，代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）。它以引導學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程為目的，是一整套符合工程科技人才成長規律和特點的教育模式，旨在培養全面發展的創新型工程科技人才。

（二） 數字邏輯實驗形式和內容的改進

為促進學生學習的興趣，提升設計電路、分析實際項目的能力，本教改項目組針對目前教學中存在的問題，擬構建一個基于CDIO教學理念的數字邏輯及其實驗課程教學模式。

本項目的研究內容主要包括以下幾個方面：

1. 教學和實驗內容的改進

結合學生實際，改進多媒體課件內容，結合學生預習、觀看教學視頻、自行設計等多種方式相結合，淡化教師“全程講解”的主導作用，加強引導和指導，鼓勵學生學習數字電子技術的興趣。

在有實驗設備支持的情況下，對實驗大綱上的內容進行改進，不僅是做基本的驗證型實驗、簡單的電路設計實驗，也可做復雜的綜合型課程設計類實驗，考查學生對軟件、硬件知識的綜合運用，對學生實踐能力的提升，有較大的幫助。

2. 實驗學習形式和考核形式的改進

積極引導學生主動思考，教師在實驗中只給予必要的指導。在給出實驗任務和實驗要求后，教師只是告訴學生如何去分析，并不具體講解實驗任務。教師在實驗中只是起到引導作用，使得學生減少了對教師的依賴，增強了學生的獨立性。

加大綜合設計型實驗在考核成績中所占比重，以便拉開差距，找出成績優異的、更有興趣進行現代電子技術深入研究的同學，并為建設數字邏輯精品課程做出準備。

（三） 教學實施中的具體措施

1. 在老生中進行調查問卷

在已學過數字邏輯課程的高年級同學中進行問卷調查，了解他們對課程的掌握程度和感興趣的知識點，通過調查內容對低年級的教學計劃進行修訂。問卷內容包括以下幾方面：學生對課程知識點的掌握程度、學生對現有教學情況的反饋、學生的學習興趣和實施意愿，等等。通過對這幾方面的不斷總結，觀察教學效果是否提升。

2. 制作實驗視頻，修訂教學課件和實驗計劃

在老生中尋找一些對數字電路課程較感興趣、掌握知識點較全面的同學，進行數字電路視頻的制作。在制作和使用多媒體課件過程中，應注意把美學知識的運用，通過多媒體課件體現在課堂教學當中，把呆板枯燥的教學內容變得生動形象，有利于調動學生學習的積極性。同時在教學計劃中，增加先播放視頻、由學生預習的環節，進行實驗后再由教師講解實驗注意事項，通過這樣的方式，提升學生對課程知識點的關注，使實驗環節更有趣，學習效果更好。

3. 考核方式的修改和細化

減少教材課后練習在作業中的比重，課堂作業次數不變的情況下，減少理論性題目的出題量，提高作業完成的真實性。在授課中引導學生積極思考，自主預習并完成實驗，在實驗報告中增加學生對實驗過程和結論的更細化描述，以了解其掌握實驗相關知識點的具體情況，并觀察其對課程知識點的總結和表述能力是否提高。

三、 研究成果及內容小結

（一） 實驗教學視頻的制作

在2014級同學中，聯系到8名同學進行數字邏輯實驗的實驗視頻制作，實驗設備采用的是由課題經費購買的“數字電路實驗箱”，8人的視頻分別從實驗箱的基本使用、芯片的驗證、組合電路的設計與實現、時序電路的設計與實現等方面，具體詳細地描述了幾個完整的數字邏輯實驗的完成過程（如圖3所示）。

基于CDIO理念，在“做中學、學中做”的思想指導下，14級同學在進行視頻制作后，表達了他們在數字邏輯知識的掌握、語言文字組織能力的提升方面，都有了一定進步的情況。

（二） 實驗大綱、實驗內容的改進

在課程結束后，對14級和15級各45名同學的問卷調查進行了整理和統計（如表1所示），根據14級同學的反饋，對實驗內容做了調整，將仿真實驗改為課堂演示，對15級的實驗內容作了一些調整，自選芯片設計任意組合電路的實驗作了修改。

14級同學在教學中存在部分畏難情緒，對困難章節如“組合邏輯電路”“時序邏輯電路”等感覺學習困難，實驗內容理解困難，實驗完成效果好的人數相對較少，不少人存在“搭車”現象，小組里有一個能力較強的同學主要負責完成實驗，其他人只負責記錄實驗結果，而不求甚解。

15級在總結14級的問題之后，實驗教學情況有所改善。在對15級學習情況進行總結后，16級沿用15級的實驗大綱，但在實驗要求上對實驗步驟和描述作了細化處理，在實驗準備、芯片準備、實驗過程描述和實驗心得敘述上，都比15級更詳細，完成質量更好。

（三） 綜述：學生的進步以及存在的問題和不足

學生通過學習后自主完成了實驗視頻的制作，教師使用實驗視頻，教學效果取得了一定程度的進步。

通過提前預習與積極準備，使學生在對實驗芯片的認識、實驗過程的理解、實驗報告的總結上，有了更深的體會。

根據學生對實驗報告的完成情況，分析其完成質量，大致分為以下三個指標：

1. 按時完成：是否能夠在規定時間提交實驗報告；

2. 準確描述：是否能夠準備描述實驗步驟和實驗結果；

3. 準確總結：是否正確書寫實驗心得，描述實驗中遇到的問題和解決辦法，并總結學到的知識點。

根據上述指標，下面列舉了14-16級同學傳統模式和CDIO模式下實驗教學效果的對比，如表2所示：

實驗結果表明，在教師全程指導的傳統模式下，對于簡單驗證實驗，不同班級實驗結果相差不明顯；對于復雜實驗，在教師指導下，完成質量較高的同學人數較少。而使用CDIO模式教學下，最初學生會在預習時稍有不適應，后來逐漸適應并超過了傳統模式，在后期較復雜的實驗中，完成比例優于往屆，取得了更好的效果。

將CDIO理念應用到數字邏輯實驗教學中，提高了學生的動手能力、項目設計能力，增強了學生對于硬件課程的興趣，初步培養了學生的創新意識和團隊協作精神，教學效果良好。

問題和不足：實驗設備和實驗室的開放時間較少，造成對實驗的理解和深入學習時間不夠，沒有完成更為復雜的數字系統設計。在今后的教學中會不斷改進，繼續探索。

由于受到實驗學時和場地的限制，數字邏輯與“計算機組成原理”課程的銜接仍然存在問題，同學們在學習“組合邏輯電路”和“時序邏輯電路”時，出現理解困難，對后續的設計ALU和CPU的實驗會出現認識不足的問題及畏難情緒，為了解決“學習搭車”現象，建議增加實驗學時和場地的安排。

兩門課程由不同教師授課，教師對課程的理解和把握各不相同，在實驗的側重點上可能存在銜接不良、導致教學內容脫節的問題，如有可能應讓這兩門課由同一教師授課。

四、 結語

在今后的教學中，我們應不斷總結經驗，改正缺點，根據計算機專業的課程特色，培養學生對計算機硬件課程學習的興趣，不斷加強學生對數字電子系統學習和設計的能力。在實驗教學中強調自主預習，教師引導加強學習，前后課程緊密銜接的教學思路，提升教學效果，適應今后計算機科學發展的趨勢。

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作者簡介：

付蘇嘉，貴州省貴陽市，貴州師范大學大數據與計算機科學學院。