數字電路與邏輯設計雙語實驗教學改革與實踐

殷建軍， 黃 瓊， 尹 令， 崔金榮， 曹 維

（華南農業大學數學與信息學院，廣州510642）

0 引 言

當前全球范圍內正在經歷新一輪科技和產業革命，綜合國力競爭愈加激烈，而人才和教育的競爭成為最核心和最關鍵的競爭領域［1-2］，這對我國工程科技人才的培養提出了新的和更高的要求。為適應當前的科技和產業革命，培養一大批高素質的復合型人才，國家深入實施創新驅動發展等重大戰略，加快推進“雙一流”建設，特別是2017 年教育部推進“新工科”建設后，先后形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等指導性文件，為高校工程教育改革創新指明了新的方向［3-4］。

隨著“互聯網+”、物聯網、云計算機、大數據、人工智能、區塊鏈等新技術不斷深入工科，全社會迫切需要一批創新意識強、工程實踐能力突出、綜合素質高、具有國際視野的復合型高素質人才［5］。實踐育人體系是人才培養的重要組成部分，而實驗教學是培養具有創新意識的高素質工程技術人員的重要環節［6］。面對“新工科”的新要求，現有教學模式難以完成相應的人才培養任務，高校需要對傳統的實驗教學體系進行調整，不斷提高人才培養工作的針對性和有效性。

數字電路與邏輯設計課程是計算機、自動化、電子、電氣、控制、人工智能等專業的重要專業基礎課，是工科中受眾廣、影響面大的一門核心專業課程，實踐性和應用性非常強。對照新工科建設的要求，數字電路與邏輯設計課程在目前的教學過程中存在諸多不足，特別是實驗教學面臨巨大挑戰。

1 數字電路與邏輯設計實驗教學中存在的問題

（1）實驗教學的目標仍然以驗證理論知識和掌握實驗技能為主，沒有體現全方位提升學生綜合素質的要求。長期以來，一些高校的實驗教學目標主要是驗證已經講授過的理論知識和讓學生掌握一些基本的實驗技能，而對學生的工程實踐能力、創新能力、團隊協作精神、自主探索精神、工程倫理意識、生態意識、價值觀養成等其他方面沒有或者較少關注，而這些方面都是新工科的基本要求，是培養德學兼修、德才兼備的高素質工程人才和促進人才全面發展的核心素養［7］。

（2）實驗教學過程中仍然是“老師帶著學生做”，忽視了學生的主動性和能動性。傳統的實驗教學中，都是以老師為主導，學生跟著老師的節奏走，“老師講，學生做”，或者是老師把實驗方法和流程編寫成實驗手冊，學生按照實驗手冊的流程操作一遍就完成任務了。這種方法既不能激發學生的學習興趣，更不能激發學生的主動性、能動性和創造性，難以到達理想的教學效果。

（3）雙語實驗教學過程中英語使用較少，沒有有效利用實驗室這一重要的英語學習交流陣地。近年來，為了促進中國高等教育的國際化，培養具有國際視野的復合型人才，國內高校開始探索開設各類雙語課程［8］。但在實際執行的過程中，雙語僅僅體現在教材、課件、學習資料和理論課堂上，在實驗室較少甚至沒有使用英語。而實際上實驗室是培養學生創新實踐工程能力的重要陣地，也是師生面對面交流最多、深入討論最有效的地方，應該大力鼓勵和推廣在實驗中使用英語交流和寫作，切實提高學生的專業英語綜合應用能力。

（4）實驗教學的考核仍然以“實驗結果正確”為綱，缺乏全面評價學生在實驗過程中的表現考核和評價體系?，F有的實驗考核標準，大都是以實驗結果是否正確為標準，沒有考慮學生在實驗過程中的表現，較少關注他們是如何解決問題的，也沒有關注學生在實驗過程中能力的提高、情感的體驗、態度和價值觀的形成、人文和管理素養的提升。

2 數字電路與邏輯設計雙語實驗教學改革

為了改進人才培養，按照“新工科”建設的理念和要求，對課程進行了綜合改革。數字電路與邏輯設計從2016 年春開始進行雙語教學，2018 年春對照“新工科”的要求進行了全面的教學改革與實踐。

2.1 雙語實驗教學理念與目標

數字電路與邏輯設計雙語實驗課旨在培養學生運用邏輯設計工具Multisim軟件平臺和數字電路實驗箱以及常用中規模芯片等，使用邏輯電路分析與設計的基本方法解決應用問題，提升學生工程實踐能力和培養學生創新能力；同時將雙語教學模式應用于該課程，以增強學生專業英語的綜合運用能力，使學生成為既精通專業知識又精通專業外語的高素質復合型人才。

2.2 雙語實驗教學體系設計

2.2.1 “三橫四縱”實驗教學架構

實驗教學是培養學生動手能力最有效的途徑［9］，在實驗教學中引入雙語教學模式，能夠使學生在理解專業知識、掌握操作技能的同時，進一步豐富英語專業詞匯，培養學生閱讀原版英文教材的習慣和提高使用英文版軟件的能力，為今后閱讀英文文獻、從事科學研究打下堅實基礎。

通過研究、分析國內外數字電路與邏輯設計課程實驗教學的現狀，結合該課程的培養目標，提出并設計了“三橫四縱”的實驗教學架構，如圖1 所示。

圖1 三橫四縱實驗教學架構

“三橫”由基礎性、設計性、綜合性實驗構成，形成階梯遞進的實驗體系，逐步提高學生的工程實踐能力和創新能力?；A實驗強調“規范與扎實”，旨在強化學生基礎能力，全面規范學生的基本實驗技能；設計實驗突出“應用與拓展”，目標是在專業基礎上提升學生的實際應用能力，并拓展其知識視野；綜合實驗強調“綜合與創新”，學生綜合應用所學的知識解決實際問題，推動其工程實踐能力的提高和創新精神的培養。

“四縱”由自主學習意識養成、工程實踐能力提升、英語應用能力提升、綜合能力發展4 個方面組成?！八目v”貫穿整個“三橫”之中，與“三橫”相輔相成。自主學習意識養成針對當前學生對老師的依賴性強、自主學習意識薄弱、自主學習能力不強的現狀，著重培養學生自主學習的意識，培養學生獨立、自主學習的能力。工程實踐能力提升著眼于扭轉學生“會做題不會動手”的局面，通過多種途徑切實提高學生的解決實際問題和會動手的能力。英語應用能力提升旨在進一步豐富學生的英語專業詞匯、提升專業英語應用能力，培養具有國際視野的復合型人才。綜合能力發展強調通過實驗教學培養學生口頭表達、書面寫作、團隊協作、競爭意識等方面的能力，全面提高學生的綜合素質。

2.2.2 階梯型雙語實驗教學內容

為了切實提高學生的實踐能力，對數字電路與邏輯設計雙語課程的學時進行了重大調整，理論課由原來的64 學時降為56 學時，而實驗課學時由原來的16學時增至32 學時。充裕的實驗學時為學生完成綜合性、高質量的實驗任務提供了保障。

實驗教學內容結合英語原版教材、中文參考教材和實驗箱的特點，由課程組老師自行編寫，以中英雙語的形式提供給學生，一共包括8 個實驗：1 個基礎實驗，5 個設計性實驗，2 個綜合性實驗，如表1 所示，這些實驗形成了階梯型的實驗體系。

表1 實驗教學內容

2.3 多樣性的實驗教學方法

采用實驗箱+ Multisim軟件仿真的混合方法開展實驗。用實驗箱做實驗可以增強學生對實驗的物理感覺，提高學生的操作能力。而隨著實驗復雜度的提高，采用軟件仿真能夠節省實驗時間，提高實驗效率。

2.3.1 任務驅動式實驗教學方法

任務驅動教學法是以實用主義作為教育理論基礎而提出的“學生中心，從做中學”的教學模式［10-12］。在數字電路與邏輯設計雙語實驗課中，引入任務驅動法旨在激發學生學習的主動性，提升學生提出問題、分析問題、解決問題的能力，培養學生的創新能力和團隊協作精神。

將實驗內容設計成幾個單獨的實驗任務，明確每個任務的內容和要求。再將學生分組，每2 或3 個學生為1 組，由學生自由組合，相互協作共同去完成每一個實驗任務。鼓勵學生從資料收集、方案擬定、計算分析、繪圖與仿真、物理實現、現場答辯到撰寫報告，全過程自行完成，強調“以學生為中心”，充分尊重學生的興趣和自主性；同時，倡導組內和組間同學的討論和交流，通過不同觀點的交鋒，補充、修正和加深每個學生對當前問題的解決方案。教師從主導型轉變為協助型，只起到引導和啟發的作用。以任務驅動的實驗教學方法給予了學生充分發揮的空間，強化了學生自主學習的意識和能力，培養了學生創新思維的能力。

2.3.2 雙向提問式PBL實驗教學方法

PBL（Problem-Based Learning）也就是以問題為基礎的學習［13］，該教育模式由美國神經病學教授Barrows在1969 年提出，已經成為國際上流行的一種教學方式［14-15］。愛因斯坦曾說過：“提出問題比解決問題更重要”。在數字電路與邏輯設計雙語實驗課中，主要通過雙向提問激發學生積極思考、自主學習。

教師在課堂上不是唱獨角戲，而是將實驗設計成多個問題，采用問題的方法把實驗剖析給學生，激發學生積極思考，進而引導學生去解決實際問題；在實驗驗收階段，根據項目內容和現場演示出現的新情況，實時向學生提問，促進學生思考。學生做實驗時，要求學生積極向老師提問，組內和組間同學相互提問，并把提問作為一種激勵機制，納入實驗考評中；特別是針對實驗過程中出現的異常情況，鼓勵學生積極思考、大膽提問，培養其刨根問底的探究精神和科學家品質。

2.3.3 輸入輸出浸入式雙語實驗教學方法

浸入式教學起源于加拿大，最早應用于外語教學，使學生在進行基礎學習的過程當中能夠始終浸泡在目標語言的環境當中，在長時間的熏陶和感染下就能夠自然而然地形成一種運用目標語言進行交流的意識和能力。將其應用到數字電路與邏輯設計雙語課程中，希望能夠加強學生自覺學習英語的意識，最終提高學生專業英語的應用水平。

在該課程的實驗教學活動中，主要創新使用輸入輸出侵入式教學方法。輸入的主要途徑包括教師課堂講解、學生閱讀原版教材和英文實驗資料、學生使用英文版本的仿真軟件等。輸出是提高學生口語能力的主要方法。相對理論課堂而言，實驗室是更好的面對面交流場所，是學生集中輸出的好時機。鼓勵學生在對話、問答、討論、辯論、演示、寫作等環境中盡量使用英語。在實驗初期階段，鼓勵大家在交流時先用英語說出主要專業詞匯和進行簡單的英語日常對話；在實驗中期，鼓勵大家盡量多地使用英語交流和寫作；在實驗后期，要求學生在資料搜集、計算、繪圖、討論、答辯、撰寫報告等過程中盡量使用英語。

2.3.4 規范化的實驗過程管理

對于每個實驗任務，鼓勵學生用不同方法和從不同的角度解決問題，但每個實驗任務必須嚴格按照規范化的流程進行，以培養學生標準化、規范化的意識，從而提高學生的綜合素質。每個實驗任務必須包含以下幾個實驗步驟：①根據題目，給出完整的分析和計算過程；②根據計算結果，進行電路設計并畫出完整的邏輯電路圖；③根據畫出的電路圖進行Multisim仿真；④Multisim仿真測試通過后，在實驗箱上進行硬件布線和運行調試；⑤硬件調試無誤后，向老師演示并回答老師的提問；⑥撰寫實驗報告。

2.4 多元化的考核和評價體系

2.4.1 考核原則

（1）注重過程。本課程考核關注學生在實驗過程中的表現，特別關注他們是如何解決問題的，關注學生在實驗過程中能力的提高、情感的體驗、態度和價值觀的形成，而不是僅僅關注他們的實驗結果。

（2）考核多元化。本課程考核標準多元、考核內容和方式多元，從實驗態度、實驗過程、實驗操作、實驗結果、演示答辯、實驗報告、實驗室環境維護、英語應用等多方面進行考核，避免以實驗結果作為唯一考核標準的現象。

（3）關注差異。關注每個學生的差異，注意給信心不足的學生提供成功的機會。盡最大努力滿足學生多方面的需求，特別是精神情感方面的需求，讓每一個學生都參與進來。

2.4.2 考核和評價體系

數字電路與邏輯設計雙語課程的考核由平時成績和期末卷面成績構成，分別占60%和40%。其中，平時成績包括考勤、課堂測試、課后作業和實驗，實驗部分占平時成績的70%，即占總成績的42%，而且實行的是“一票否決制”，也就是如果實驗成績低于60 分（滿分100 分），該課程視為不及格。

每個實驗的考核內容和評價標準如表2 所示，考核內容共有9 項，其中，實驗態度包括提前預習、實驗認真、不遲到不曠課、不在實驗室玩手機；實驗報告包括：內容完整、格式規范、條理清晰、實驗體會深刻；實驗室安全與環境維護主要要求學生在實驗過程中保持環境整潔，在實驗后保證電腦關機、電源關閉和實驗箱整理完畢。

各項考核內容所占分值：實驗態度、計算過程、電路圖、回答問題、實驗提問、英語應用、實驗室安全與環境維護分別為10 分；結果驗收、實驗報告分別為15分。教師根據每項考核內容對學生在實驗過程的表現進行不同等級的評價，各等級的評價系數A為1，B 為0． 85，C為0． 7，D為0． 55，E為0． 4。各個實驗任務根據其復雜度和難度在實驗總體考核中所占比重不同，實驗1 占10%，實驗2 ～6 占12%，實驗7 ～8 占15%。

每個實驗任務的得分由各項考核內容的分值和對應的評價等級加權得到：

式中：Si為第i項考核內容的分值；Pi為第i項考核內容的評價等級系數；N為考核內容的項數；G為每個實驗的得分。

表2 實驗任務考核內容和評價標準

實驗課總分由各個實驗任務按照所得分值和所占比重加權得到：

式中：Gj為第j個實驗任務的得分，Lj為第j個實驗任務的占比，M為實驗任務數，W為實驗總分。

將式（1）代入式（2）得學生的實驗課程總分：

3 改革效果

3.1 教學反饋與評價

教學反饋與評價是反映教學效果的一種有效手段，主要包括學校教務質量監控網上學生反饋與評教、實驗課的學生問卷以及教學督導組的評價。

（1）教務質量監控網上的反饋與評教。學校教務質量監控網上的學生反饋貫穿整個學期，是學生對教師教學效果反饋的重要渠道，且全部是匿名，學生表達的意見相對真實。從學生反饋的意見分析來看，學生對實驗教學的內容、方法和評價體系認可度較高；課程初期在英語學習和使用上遇到困難較多，到了課程中后期絕大部分同學已經適應了雙語教學，并認為自己的專業英語水平有提高。在2018 年和2019 年的期末評教中，4 位主講教師的評教得分均在本院前15%，學生對“該課程的實驗教學鞏固了我的理論知識，提高了我的實踐能力”的滿意度平均達到了92． 68%。

（2）實驗課的學生問卷反饋。為了促進實驗課的改革，教學督導組從2018 年春季開始，在每個學期結束后對各門實驗課開展單獨的網上問卷調查。在2018 年和2019 年的兩年問卷調查中，“實驗課加深了對專業知識的理解”“實驗課提高了我的專業實踐能力”“實驗課培養了我的團隊協作精神”“實驗課提高了我的個人創新能力”“我的英語應用能力得到了提升”5 個方面的平均評分分別在88 ～95 之間。

（3）教學督導組的評價。學院教學督導組主要從課程的實驗教學體系、實驗教學環境、實驗教學過程、實驗教學效果4 個大的方面進行評價，兩年的總體評價均為A。

3.2 學生參加創新項目和學科競賽取得的成績

數字電路與邏輯設計雙語實驗教學為學生鞏固計算機硬件知識、提高學生工程實踐能力和培養學生自主探索的精神奠定了堅實基礎。在學完該門課程后，學生積極參與到學院硬件創新實驗室、物聯網實驗室、機器人實驗室的研究工作中，并參加了各種創新創業項目、學科競賽和老師的科研項目。2018 年和2019年，共有33 項創新創業項目是以硬件為基礎的，其中國家級5 項，省級10 項，校級18 項。在學生參加的物聯網大賽、嵌入式系統設計大賽、電子設計大賽和機器人競賽中，共有41 人獲獎，其中獲國家級獎勵6 人，省級獎勵35 人。

3.3 課程建設取得新成績

經過4 年的教學改革與實踐，特別是近兩年對照新工科的改革創新，數字電路與邏輯設計雙語課程由于教學效果和研究成果突出，被評為校級“精品資源共享課程”，同時教學團隊正積極申報省級精品課程建設項目。在2019 年，數字電路與邏輯設計入選我校首批“高水平大學建設之全英課程”建設項目。

4 結 語

實驗教學是培養學生工程實踐能力和創新能力的重要環節，是實踐育人體系的重要組成部分，新工科給實驗教學提出了更高的要求。高校應從新工科的內涵和要求出發，不斷推動實驗教學的教學內容、教學模式、教學方法、評價體系的持續改進，進而探索高素質工程技術人才的培養模式，為我國高等工程教育的發展做出新的貢獻。