融合CDIO的數(shù)字邏輯實驗教學(xué)改革探索

丁淑妍 李世寶 顧麗紅

摘要：改革傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路實驗教學(xué)模式，探索融合CDIO先進的工程教育理念，以“簡易數(shù)字跑表”實驗為例，從項目內(nèi)容、項目要求到項目評價三個角度介紹了新的實驗教學(xué)方法，使學(xué)生在“構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運作”四個階段較好地發(fā)揮主觀能動性，在對整體知識結(jié)構(gòu)的掌握、單一知識點的理解、工程實踐能力的訓(xùn)練、團隊協(xié)作意識的提高各個方面，均取得明顯的效果。

關(guān)鍵詞：CDIO；數(shù)字邏輯電路；實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）25-0136-02

一、背景

CDIO理念是以麻省理工學(xué)院為首的全球幾十所著名大學(xué)倡導(dǎo)的現(xiàn)代工程教育框架，是當(dāng)前國際工程教育最新的發(fā)展方式，集構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）四個階段為一體。它以產(chǎn)品研發(fā)到運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動、貫穿式、實踐的方式學(xué)習(xí)工程性明顯的課程，從而能夠在課堂理論學(xué)習(xí)和實驗項目完成的基礎(chǔ)上，提高工程實踐能力。

數(shù)字邏輯電路是工科高等教育的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程對于培養(yǎng)學(xué)生分析計算能力、實驗操作能力、研究設(shè)計能力和科學(xué)歸納能力等有著重要的作用。除理論教學(xué)外，必須配以一定的實踐環(huán)節(jié)，才能使學(xué)生更好地掌握課程內(nèi)容，而且實驗項目的內(nèi)容設(shè)計對于整個教學(xué)過程中學(xué)生能力的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用。教育部在《關(guān)于進一步加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》（教高[2005]1號）中有關(guān)本科實驗教學(xué)工作中提出，要“大力加強實踐教學(xué)，切實提高大學(xué)生的實踐能力”。《數(shù)字邏輯電路》無論是課程內(nèi)容和課程特點，還是課程地位，都決定了其實驗教學(xué)環(huán)節(jié)必須肩負(fù)提高學(xué)生綜合實踐能力和培養(yǎng)學(xué)生工程實踐素質(zhì)的責(zé)任。

二、傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路實驗項目存在的問題

《數(shù)字邏輯電路》是我校（中國石油大學(xué)（華東））通信工程專業(yè)的一門專業(yè)必修基礎(chǔ)課，針對課程自身特點和其在整個專業(yè)培養(yǎng)方案中的地位，課程組已經(jīng)對其理論和實驗內(nèi)容教學(xué)進行了深入調(diào)研和分析，做到了理論和實驗相結(jié)合、硬件實驗和軟件仿真相補充，但在以下幾個方面仍存在一定的問題。

1.實驗內(nèi)容缺乏綜合性，系統(tǒng)度不夠。傳統(tǒng)的實驗環(huán)節(jié)是學(xué)到某個章節(jié)，針對該章的知識點布置簡單的實驗內(nèi)容，學(xué)生也可以很快地理解要求完成實驗，但課程結(jié)束后對一些綜合性的電路分析和設(shè)計理不清思路，缺乏整體性，系統(tǒng)度不夠。

2.實驗要求缺乏獨創(chuàng)性，工程力不足。傳統(tǒng)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)雖然也有簡單的綜合性實驗項目，但是要求過于死板，沒有給學(xué)生提供獨創(chuàng)的空間，實驗內(nèi)容與實際工程結(jié)合度不高，無法激發(fā)學(xué)生的興趣，致使學(xué)生缺乏獨立思考和參與熱情。

3.結(jié)果評價缺乏多元性，過程化不顯。單純的實驗報告評價和現(xiàn)場實驗操作的簡單考核，沒有考查到不同學(xué)生在實驗設(shè)計過程中的方案論證、縝密思考和調(diào)試修改等環(huán)節(jié)，無法激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，不可避免地存在學(xué)生把寫實驗報告當(dāng)成負(fù)擔(dān)，甚至出現(xiàn)抄襲的現(xiàn)象。

三、融合CDIO理念的綜合性實驗項目教學(xué)探索

針對傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路實驗教學(xué)中存在的問題，以“簡易數(shù)字跑表”實驗項目為例，探索融合CDIO理念的數(shù)字邏輯電路實驗教學(xué)方法。“簡易數(shù)字跑表”就是一個計時工具，下面從實驗內(nèi)容、實驗要求和實驗考核三個角度對該綜合性實驗項目的教學(xué)新方法進行說明。

1.貫穿式的實驗內(nèi)容設(shè)計。所謂貫穿式的實驗內(nèi)容，是指教師在理論課程授課開始前布置實驗任務(wù)，將實驗內(nèi)容中所涉及的知識點和理論教學(xué)建立起對應(yīng)關(guān)系，明確各章節(jié)知識點在本實驗項目中的作用，將課程全部知識點進行融會貫通。從而可以使學(xué)生的學(xué)習(xí)目的更加明確，提高了教學(xué)效果。

簡易數(shù)字跑表的設(shè)計指標(biāo)主要包括：①計數(shù)包括百分秒、秒、分鐘，各兩位；②開始/停止按鍵，低電平為計時，高電平為暫停；③復(fù)位按鍵，低電平時為計時，高電平為清零；④用BCD碼計數(shù)方式，直接輸出到6個數(shù)碼管顯示讀數(shù)。因此需要用到的電路單元主要有：控制電路、分頻器、顯示譯碼器。

從實驗項目的建模到最后實現(xiàn)，其各環(huán)節(jié)與課程內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系為：功能分析環(huán)節(jié)，用到課程的數(shù)字邏輯基礎(chǔ)知識部分，包括邏輯變量定義、邏輯函數(shù)表述、真值表；計時部分主要用到時序邏輯電路的計數(shù)器和分頻器電路；時鐘電路對應(yīng)于課程的脈沖波形的產(chǎn)生與整形電路章節(jié)；數(shù)碼顯示環(huán)節(jié)，主要用到基本邏輯門電路和組合邏輯電路的譯碼器芯片。此外的一些細節(jié)和輔助芯片，在布置實驗任務(wù)時進行說明，引導(dǎo)學(xué)生查閱資料，補充完善。

2.工程化的實驗任務(wù)要求。根據(jù)實驗項目內(nèi)容，要求學(xué)生自由組隊，并進行任務(wù)分工。在構(gòu)思階段（C階段），在教師引導(dǎo)下，團隊成員集體討論，通過深入理解任務(wù)內(nèi)容，確定所需輸入/輸出邏輯變量、系統(tǒng)狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系等，建立數(shù)學(xué)模型。可以鍛煉學(xué)生的獨立思考能力，查閱資料能力。設(shè)計階段（D階段），團隊各成員結(jié)合理論教學(xué)中的簡單實例，對應(yīng)進行子任務(wù)的設(shè)計。先采用軟件工具進行仿真模擬，從而進一步理解實驗項目中各電路芯片的工作原理。隨著理論學(xué)習(xí)的不斷深入，教師引導(dǎo)學(xué)生查閱資料，鼓勵學(xué)生在原有任務(wù)內(nèi)容基礎(chǔ)上進行自由發(fā)揮和合理創(chuàng)新，使實驗項目功能更加豐富，并能綜合利用更多的理論知識。從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的參與熱情，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。實現(xiàn)階段（I階段），將各子任務(wù)合并，并進一步進行仿真調(diào)試，直到得出正確實驗結(jié)果，然后用實際硬件芯片來實現(xiàn)，并用示波器、萬用表等相應(yīng)工具進行測試，排查故障，完成實驗項目。在這個過程中，學(xué)生可以充分理解各芯片在實際應(yīng)用中的注意事項等，鍛煉學(xué)生工程實踐能力。運作階段（O階段），團隊成員進行項目展示，從設(shè)計思路、設(shè)計原理、關(guān)鍵技術(shù)、到調(diào)試過程遇到的問題及解決方法，進行全面的說明。對一個問題從理解到應(yīng)用，再到講解，進一步鞏固所學(xué)知識。這不僅能擴大學(xué)生的視野，而且能培養(yǎng)團隊的協(xié)作意識。

3.過程化和多元化的實驗評價機制。融合CDIO工程教育模式的實驗項目在考核階段，除了傳統(tǒng)的實驗報告外，更多的比例為采取過程化和多元化的評價機制。過程化主要體現(xiàn)在對電路設(shè)計各個環(huán)節(jié)均進行評價，改變以往僅僅關(guān)注任務(wù)完成的結(jié)果，而忽視設(shè)計過程的評價模式。從電路設(shè)計的基本過程上看，其中的各個環(huán)節(jié)是一個遞進的過程，包括“數(shù)學(xué)建模→電路設(shè)計→電路仿真→電路連接→電路測試→電路完善”。每個環(huán)節(jié)不僅對于最后成果的呈現(xiàn)非常重要，而且對下一個環(huán)節(jié)如何進行和進行得好壞起到至關(guān)重要的作用。因此，根據(jù)各個階段性任務(wù)是否符合要求，或者在符合要求的前提下完成的質(zhì)量情況，給予一定比例的分?jǐn)?shù)。

多元化包括評價主體的多元化和評價對象的多元化，打破傳統(tǒng)單一的由老師評價學(xué)生完成的狀況和只評價個人任務(wù)完成的狀況，加入組內(nèi)評價和不同組之間的評價。課程評價標(biāo)準(zhǔn)將教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一起來，將任務(wù)完成情況和團隊合作及個人在團隊中貢獻度結(jié)合起來，從而避免了僅評價實驗報告的片面性，使最終評價更加合理、完善，極大地提高了學(xué)生在學(xué)習(xí)和實驗過程中的主觀能動性。

四、結(jié)語

在《數(shù)字邏輯電路》實驗教學(xué)中融入CDIO工程教育理念，從實驗內(nèi)容、實驗要求和實驗評價三個方面改革傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的不足。使學(xué)生對基本理論知識有更完整和更深層次的理解，并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、系統(tǒng)性思維能力、工程實踐能力和團隊協(xié)作意識，很好地保證了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

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