基于競賽驅(qū)動的《數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計》課程教學(xué)改革研究

牛小燕 楊柳 鄭雪峰

摘?要：針對目前數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計中存在的問題，在調(diào)研相關(guān)學(xué)科競賽模式及特點的基礎(chǔ)上，將學(xué)科競賽的模式引入課程教學(xué)，通過將教學(xué)過程競賽化、改革教學(xué)內(nèi)容、建立遠(yuǎn)程實境實驗平臺、改革考核方式等手段實施課程教學(xué)改革實踐，并取得了一定的效果。

關(guān)鍵詞：競賽驅(qū)動;教學(xué)改革;創(chuàng)新能力

最近幾年是信息化引領(lǐng)全面創(chuàng)新、構(gòu)筑國家競爭新優(yōu)勢的重要戰(zhàn)略時期，而通過深化教育改革，提升大學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實踐能力，是高校面臨的重要任務(wù)[1-2]。

“數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計”是一門工程實訓(xùn)課程，是學(xué)生基于項目情境下，在老師的指導(dǎo)下，通過查閱資料，運用所學(xué)過的理論知識，結(jié)合自身興趣和條件選擇和確定課題，利用實驗室資源，通過個體研究或者與同學(xué)的分工合作，設(shè)計和實現(xiàn)一個功能獨立的數(shù)字系統(tǒng)，解決實際中的工程實踐問題，從而達(dá)到知識建構(gòu)以及自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實訓(xùn)課程。這門課程具有自主性、探究性、過程性和實踐性的特點[3]，有利于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、團(tuán)結(jié)協(xié)作與創(chuàng)新精神，提高他們的動手實踐能力和解決實際問題的能力[4]。

1 目前課程及相關(guān)學(xué)科競賽的現(xiàn)狀

“數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計”主要是承接“數(shù)字邏輯電路”以及“EDA技術(shù)”等課程的教學(xué)，要求學(xué)生運用數(shù)字電路的知識，基于FPGA等可編程邏輯器件設(shè)計和實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)，已采用了項目驅(qū)動式的教學(xué)模式，極大的提高了學(xué)生的實踐動手能力，但是還存在著一些問題：

（1）項目選題更接近于理論教學(xué)內(nèi)容，例如針對某些理論知識點的出題，而離實際工程問題較遠(yuǎn)，不利于對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。（2）在信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，教材和教學(xué)內(nèi)容遠(yuǎn)跟不上行業(yè)的發(fā)展速度，急需改革。（3）面對教師的課堂教學(xué)和知識灌輸，許多學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性。

由于這些存在的問題，課程的教學(xué)效果被嚴(yán)重影響，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能力的培養(yǎng)和提高的效果大打折扣，課程目標(biāo)與人才培養(yǎng)目標(biāo)難以達(dá)成，因此，開展該課程的教學(xué)模式改革顯得尤為必要。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的學(xué)科競賽項目也層出不窮，例如大學(xué)生電子設(shè)計大賽、智能車競賽、挑戰(zhàn)杯、大學(xué)生FPGA創(chuàng)新設(shè)計賽等。其中“大學(xué)生FPGA創(chuàng)新設(shè)計競賽“是專門面向數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域尤其是可編程邏輯器件應(yīng)用領(lǐng)域的競賽，與本課程的教學(xué)內(nèi)容十分貼合。該比賽由中國電子學(xué)會、國家級實驗教學(xué)示范中心聯(lián)席會電子學(xué)科組聯(lián)合主辦，于2016年首次舉辦，每年一次，大賽傾向于有特色、有創(chuàng)意、有價值的參賽作品，參加的高校及學(xué)生日益增多。而學(xué)科競賽對于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)作用這一點也得到了諸多教育研究者的肯定[5-6]。

大部分學(xué)生平時忙于課業(yè)學(xué)習(xí)，對于非主流的學(xué)科競賽并沒有多余的精力去了解。如果沒有指導(dǎo)老師的引導(dǎo)和指點，他們很少主動去參加這類競賽。即便報了名，大多數(shù)學(xué)生可能也是耗費了不少時間和精力，卻達(dá)不到理想的效果。而且像這樣質(zhì)量不高的參賽，并不能有效地提升他們的創(chuàng)新能力。

2 課程改革與實踐

通過總結(jié)“數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計”的課程教學(xué)以及參加“大學(xué)生FPGA創(chuàng)新設(shè)計競賽”的經(jīng)驗，結(jié)合我校學(xué)生的實際情況和課程培養(yǎng)要求，將“大學(xué)生FPGA創(chuàng)新設(shè)計競賽”的競賽模式及內(nèi)容融入“數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計”的教學(xué)中來，結(jié)合線上線下混合教學(xué)模式、遠(yuǎn)程實境實驗平臺，建立了基于競賽驅(qū)動的課程設(shè)計教學(xué)模式。課程改革的具體實施方案如下：

2.1 教學(xué)內(nèi)容的改革

為了改革以往課程教學(xué)內(nèi)容與實際工程相脫節(jié)的問題，課程選題由以往的教師給出有限的選題范圍（通常為6—8個），改為開放性選題，即課題不限，像競賽一樣，只給出一批結(jié)合實際工程問題的參考選題。由于FPGA這一類可編程邏輯器件的靈活性，學(xué)生可以借助它實現(xiàn)多種多樣的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計。學(xué)生在現(xiàn)有的實驗資源的基礎(chǔ)上進(jìn)行課題選擇，最大程度的給學(xué)生自由創(chuàng)作的空間。并建立配套的實驗資源庫說明，將實驗室已有的實驗資源分類介紹，包括FPGA開發(fā)板類、模塊類、工具類、元器件類等。教學(xué)團(tuán)隊的老師分工合作，編寫相應(yīng)的教學(xué)輔助文檔，例如模塊的功能，模塊中各個引腳的含義及工作模式等，并共享在課程的線上平臺中，供學(xué)生參考使用。

為了防止部分學(xué)生出現(xiàn)迷茫，不知道自己能做什么項目，教學(xué)組的老師收集和整理往屆學(xué)生的優(yōu)秀作品、也選擇了部分競賽案例，分為易、中、難三種檔次，放入線上共享資源庫，來幫助學(xué)生盡快確定自己的設(shè)計目標(biāo)。

實驗內(nèi)容的改革，幫助學(xué)生了解行業(yè)前沿技術(shù)，了解數(shù)字系統(tǒng)構(gòu)建的知識和方法，掌握相應(yīng)的動手實踐技能，并從學(xué)中做、做中學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.2 教學(xué)模式的改革

由于前驅(qū)課程在第三學(xué)期已經(jīng)學(xué)完，為了能夠有效的按照競賽模式組織教學(xué)，首先，將該課程設(shè)計由原來的第四學(xué)期期末考試后集中的兩周教學(xué)，改為了第四學(xué)期中間分散進(jìn)行。然后，在課程開課伊始，就公示課程教學(xué)模式及考核方式，學(xué)生需先1—3人自由結(jié)合為小組，分小組查閱資料，討論制定設(shè)計選題、項目實施計劃與小組分工，在指導(dǎo)教師審核后，開始自行設(shè)計、調(diào)試與制作，最后在截止期之前提交實物作品和報告。在這期間，教師主要的任務(wù)是進(jìn)行選題審核、中期檢查，線上線下答疑和指導(dǎo)，以及最后的作品評價。

為了緩解實驗室資源緊張的情況，教學(xué)團(tuán)隊另外開發(fā)了遠(yuǎn)程實境實驗平臺，學(xué)生可以借助這個平臺進(jìn)行作品的下載與調(diào)試，極大地拓展了實驗室的空間和時間，方便學(xué)生隨時隨地做實驗。遠(yuǎn)程實境實驗平臺，相當(dāng)于將可編程邏輯器件的下載從本地電腦連接的FPGA開發(fā)板通過網(wǎng)絡(luò)延展到實驗室中的包含F(xiàn)PGA核心部件的實驗板，并通過網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭遠(yuǎn)程實時觀察實驗結(jié)果，從而檢驗自己設(shè)計作品的成敗。

整個教學(xué)過程是以學(xué)生為主體，學(xué)生需要發(fā)揮自己的主觀能動性，自行進(jìn)行項目規(guī)劃，通過與小組其他成員分工合作，努力完成作品的設(shè)計、制作和調(diào)試。由于使用競賽模式，給學(xué)生的發(fā)揮空間很大，整個過程可以帶給學(xué)生很大的成就感，極大地激發(fā)了他們的競爭意識與參與熱情。作品提交后，教學(xué)團(tuán)隊會統(tǒng)一進(jìn)行評比，按比例評出相應(yīng)獎項，向相應(yīng)團(tuán)隊頒發(fā)學(xué)院級別的獲獎證書并邀請他們參加全國競賽的預(yù)備隊，可以進(jìn)入下一級競賽的培訓(xùn)和選拔。

2.3 考核方式的改革

本課程為實踐環(huán)節(jié)，所以過程性評價非常重要，主要采用過程性考核和終結(jié)性考核相結(jié)合的方式進(jìn)行評價，并根據(jù)分?jǐn)?shù)，按照學(xué)生比例評出一、二、三等獎，按院級競賽檔次頒發(fā)獎狀和獎品。過程性考核與終結(jié)性考核比例為40%∶60%，過程性考核成績=項目申報書成績10%+中期檢查20%+組內(nèi)互評成績10%，終結(jié)性考核成績=（實物演示+答辯）40%+報告20%。其中組內(nèi)小組成員互評由小組成員商定，對于貢獻(xiàn)比較大的組員，比例可超過100%，其他成員相應(yīng)減分。考核機(jī)制制定的公平、客觀、合理可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，反之則會挫傷學(xué)習(xí)積極性。

3 課程改革成效與不足

將競賽融入數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計的教學(xué)后，通過競賽機(jī)制的激勵、實驗內(nèi)容緊扣當(dāng)前產(chǎn)業(yè)熱點以及給學(xué)生很大的自由選擇空間，都極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。經(jīng)過全員問卷調(diào)查，有83.1%的同學(xué)認(rèn)為對該課程有興趣，有極大興趣的占47.8%。同時，通過項目化設(shè)計、監(jiān)督、評價的教學(xué)模式，推動了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，有78.3%的同學(xué)認(rèn)為該課程有助于自主學(xué)習(xí)能力的提高。通過小組協(xié)作完成整個項目，有效的培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)體協(xié)作能力，81.9%同學(xué)認(rèn)為自己的團(tuán)體協(xié)作能力有提高。

經(jīng)過該課程的教學(xué)活動的訓(xùn)練，全部小組都完成了自己的項目。其中報名參加2019年秋季FPGA設(shè)計創(chuàng)新大賽的小隊人數(shù)也創(chuàng)造了歷史新高，達(dá)到了8個隊，其中有5個隊獲得了決賽中全國二等獎和三等獎的獎項。

但在課程教學(xué)活動中，也出現(xiàn)了一些問題，例如學(xué)生以小組形式進(jìn)行項目的設(shè)計，有些小組會出現(xiàn)部分同學(xué)濫竽充數(shù)的情況，這個需要指導(dǎo)教師在中期檢查環(huán)節(jié)就要通過提問嚴(yán)格甄別并予以警示，以督促其后期努力。另外，有些學(xué)生在本課程中所作的項目非常優(yōu)秀，但是由于時間的局限，并沒有繼續(xù)深入下去，比較可惜。這樣的項目以后可以在教學(xué)中設(shè)置合理的接力方式，繼續(xù)探究下去，將其做大做精。

4 結(jié)語

本課程采用學(xué)科競賽的模式組織了整個教學(xué)，給學(xué)生充足的自主設(shè)計空間，提供了大量線上課程共享資料，充足的實驗室資源及遠(yuǎn)程線上實驗平臺，以及指導(dǎo)教師及時、有效的線上指導(dǎo)和答疑，取得了良好的教學(xué)效果。課程改革取得了初步的成功，不僅提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐素質(zhì)，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。

參考文獻(xiàn)：

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基金項目：杭州電子科技大學(xué)2019年度高教研究項目“競賽驅(qū)動的數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計的教學(xué)改革研究”（YBJG201905）

作者簡介：牛小燕（1978—?），女，河南南陽人，碩士，杭州電子科技大學(xué)實驗師，主要從事數(shù)字集成電路設(shè)計與測試以及相關(guān)實踐教學(xué)的研究。