基于STEAM理念的“數字電路” 課程教學探索

賀付亮 王世元 樊利

摘? ? 要：在新工科建設背景下，為了解決“數字電路”課程傳統教學模式不適應于“卓越工程師”培養要求的矛盾，文章提出在課程教學中融入STEAM教育理念，分別從教學方式、教學內容、實驗實踐和校企協同教育等方面開展課程教學改革的研究與探索，并闡述了基于STEAM教育理念的課程教學設計案例，希望以此為契機，開拓出符合新時代電子信息類專業課程教學的新模式。

關鍵詞：STEAM;數字電路;教學改革

中圖分類號：G642? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2021）05-0019-05

作為高等院校電子信息類專業的一門必修學科基礎課程，“數字電路”在電子工程師的培養體系中起著

根基作用。該課程的教學目標，一方面是在整個專業培養體系中發揮基礎性作用，幫助學生建立針對復雜數字電子系統的工程實踐能力，另一方面則是對學生的職業生涯進行啟蒙，引導學生進入電子芯片行業。近年來，以新基建、新產業和新技術為特征的新經濟發展對傳統電子信息工程專業人才的培養提出了巨大挑戰。為了主動應對新一輪科技革命和產業變革，主動布局未來工程人才的培養，教育部、工業和信息化部聯合中國工程院在2018年9月發布了《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》（教高〔2018〕3號），提出的“卓越工程師”的培養方式有著鮮明的特點：更加偏重于面向工業發展需求的實踐及創新思考能力的訓練;需要引入工程行業標準來創新工科教學模式;大力支持企業深層次加入到“新工科”人才的培養中，提高行業參與度。在此背景下，傳統數字電路課程的教學模式劣勢凸顯，無論是其教學理念還是教學方式都存在著很多與“卓越工程師”培養理念不符合的地方，亟待改革。

基于此，本文提出將STEAM教育理念融入到當前的“數字電路”課程教學中，進一步深化該課程的教學改革。基于STEAM理念的“數字電路”課程教學強調在知識體系框架下開展工程任務式情境學習，倡導主動式、探究式的學習方式，從而解決傳統教學方式不適應于培養自主創新能力強、開拓實踐水平高的“卓越電子工程師”的問題。

一、教學現狀

當前，“數字電路”課程在國內各大高等院校的電

子信息類專業均有開設，“愛課程（中國大學MOOC）”

“學堂在線”等在線開放課程平臺上也推出了國防科技大學的“數字電子技術基礎”等精品課程。這些課程都在不同方面體現了各個高校在“新工科”建設背景下，在“數字電路”課程的教學改革上取得的研究成果。南京信息工程大學電子與信息工程學院以工程教育專業認證為標準，以MOOC和雨課堂完善“數字電路”理論課程的教學，以虛擬仿真實驗擴展實驗教學[1]。浙江工業大學信息工程學院根據金字塔理論和協同論，提出了“數字電路”多課堂協同的教學模式[2-3]。國防科技大學計算機學院在“數字電路”課程實施中推出了基于真實工程項目設計的案例式教學方法，并在學生工程能力培養上取得了顯著成效[4]。沈陽航空航天大學電子信息工程學院將成果向導教育（Outcome-based education，

OBE）融入到數字電路課程中，以產出為導向，對課程教學進行了改革[5]。黑龍江大學電子信息工程學院在課程教學上采用了“小規模限制性在線課程（Small Private Online Course，SPOC）”教

學模式，提高了學生的課堂參與度[6]。南京郵電大學、宿遷學院等高校則展開了思政教育融入數字電路課堂的探索[7-8]。

從上述教學研究成果中可以看到，傳統的“數字電路”課程教學模式存在以下問題：重知識傳授、單向灌輸，學生缺乏探索能力和創新思維;注重知識體系，忽視工程實踐的問題導向，學生解決工程問題的能力差;工業企業、行業協會參與人才培養的機會少。這些相關問題需要在當前的教學改革研究中，通過理念和方法上的創新來加以解決。

二、STEAM教育理念在課程實施中的作用

STEAM教育理念起源于20世紀80年代，是由美國政府提出的一項教育改革計劃，旨在提高國家競爭力，為國家培養多元性復合型工程技術人才，后來逐漸在世界各國興起[9-10]。STEAM教育是一種超越傳統的教育模式，采用跨學科的方法，以發現和解決現實問題為核心內容，有機融合科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、人文精神（Arts）和數學（Mathematics）等多學科知識[11-13]，以項目驅動為形式，強調通過構建真實任務情景，讓學生在實踐中習得理論知識、動手能力、理性思維、創新意識以及團隊合作等能力。教師成為任務項目的設計者、活動的組織者和學習的引導者，其角色走向多元化，從而使得學生的創新創造能力和獨立實踐能力得到極大程度的提升。這一理念十分契合當前“新工科”背景下“卓越工程師”培養的需求。以STEAM教育理念為指導，以“數字電路”課程為實體依托，使之相互碰撞，可形成如圖1所示的教學模式，以此模式或可解決當前“數字電路”課程教學中存在的一系列問題，從而達到培養當前行業需要的“卓越電子工程師”的初衷。

（一）以學生為中心、以教師為多元化角色的教學方式

STEAM教育拋棄了傳統課堂中教師占主體、教師是課堂的領導者和灌輸者的觀念，而強調以學生為中心、以學生為課堂的主角，教師只是導演或者編劇的角色。整個教學過程是任務設計、活動組織和引導參與的融合。筆者將這一理念融入到“數字電路”的教學實施中，創新教學方式，培養學生主動式、探究式的學習能力，從而解決傳統教學方式不適應“卓越工程師”培養要求的問題。

筆者對照“數字電路”的課程大綱，將教學內容按其特點重新規劃，數字邏輯理論知識偏重理論分析和計算，數字邏輯器件及系統設計偏重工程實踐應用，因此探索采用教師授課結合與自主研討融合的“半翻轉

課堂”教學形式來實現課程的教學。數字邏輯理論知識的教學采用引導授課的教學模式：課前，教師發布學習內容，學生通過小組自學完成前導作業，并提出相關問題;課堂內，教師以提出案例、引導和歸納與學生互動，幫助學生理清知識結構脈絡，幫助學生解決自學中存在的問題;課后，教師提出相關知識研究性課題，鼓勵學生探究更深入的課程前沿問題。數字邏輯器件及系統設計的教學采用以項目實踐的“翻轉課堂”教學模

式：課前，教師制定開放性的實踐題目，提出相關設計需求和行業標準，學生以小組為單位查閱資料，自學軟件編程技術和硬件系統設計方法，確定“數字電路”系統的設計方案;課堂內，以學生自主實驗、實踐為教學模式，教師輔助答疑，師生共同探究系統設計中出現的問題;課后，教師對項目進行驗收評價，測試反饋，師生互動總結。

（二）設計任務式情境來開展學習活動，以跨學科角度解讀課程內容

STEAM教育的初衷就是為了讓學生能夠體驗生產生活中的真實情景，在任務式的工程問題中開展研究，這樣才能帶來“最理想、最有品質”的課堂。以工程問題導向式的模式重新構建“數字電路”的教學內容，將課程內容有效融入生活情境，例如“冰箱的恒溫控制是如何實現的”“為什么手機會從模擬信號傳輸模式演進到數字信號傳輸模式”等等。將學生在生活中常遇到的工程問題直接搬上課堂，綜合數學、科學、人文等多學科角度進行解讀，以生動而有效的方式解析課程知識點，從而解決傳統教學中課程內容生硬、乏味，與現實應用嚴重脫節的問題。

通過對“數字電路”教學內容的深入分析，以任務式情境對原課程內容進行重構，融入“現代數字電路系統需求分析、功能設計與工程應用”的背景之中，使教學內容更加貼近現實需要，著重于“卓越電子工程師”綜合能力的培養，激發學生的專業熱情和職業興趣。

引入工程問題導向式理念，重構課程教學內容。采用大量行業工程實例，以生活化的方式引入課堂，使授課內容更加有利于激發學生學習熱情，提高學生學習興趣。讓學生在問題中思考，在討論中學習，在應用中理解數字電路知識，從而建立起適應于現代工程教育理念的課程知識體系，切實做到由“以教為中心”向“以學為中心”的轉變。將傳統的課程作業轉變為實現創新思維培養、工程能力訓練的實作任務。例如，將“數字電路”課程中所涉及的投票表決器這一知識點，引入到開展社會公共議題的民主調研時，需要在“投票與數據統計系統”這一現實需求中，來開展任務式情景教學。學校應提供給學生針對研習任務的實踐環境和實驗條件，以此培養學生的工程實踐素質、合作協同精神和知識遷移能力。在考核中，工程實踐性、創新性實作任務的成績占平時成績的比重不低于60%。

（三）構建項目制實驗課題，建立創新、協作和效能的過程性評價機制

STEAM教育以基于項目的學習、基于問題的學習為主要教學方式，旨在讓學習者從項目的探索體驗中發展解決問題、設計創新、溝通協作等能力。“數字電路”是帶有工程實踐性質的課程，需要學生動手操作才能掌握系統分析和設計的基本技能。各大高等院校都通過開設配套實驗課程，以強化學生的“數字電路”工程實踐能力。筆者從STEAM項目與問題體驗式學習出發，重新構建課程中的實驗項目，以開放性、設計性實驗課題替代傳統的驗證性實驗課題，增加與工程應用聯系密切的設計性、綜合性實驗課題，以創新、協作、效能以及任務完成度等方面的過程性評價代替傳統的單一實驗報告、實驗數據的成績判定，從而解決在傳統實驗教學中，缺乏工程訓練真實性，創新素質、團隊能力等綜合水平培養不足的問題。

加大靈活性、開放性高的如“口袋實驗室”“虛擬實驗室”的建設，構建以“設計—實現”為特色的開放性、體驗式數字電路實驗項目，將行業規范與標準、職業素養等內容融入到實驗教學中，讓實驗過程更加貼近工程實際。支持和鼓勵學生通過實踐性較強的創新創業項目開發、專業競賽參與等研學活動，獲得學科知識和工程能力。實驗成績的評定采用開放的過程式評價，不設標準答案，從創新、協作等維度評定成績，鼓勵學生提出新想法、新方案和新結論。所制定的項目制實驗成績占總成績比重不低于60%。

（四）產學合作、協同育人，以思政教育方式啟迪

電子工程師的初心

STEAM教育強調創設真實情境，實現學生的體驗式學習。對于高等院校的工科教育來說，讓行業內知名企業參與教學過程，開展產學合作、協同育人，讓教學實現從工程應用中來，到工程應用中去，無疑是升華STEAM理念，培養卓越電子工程師的最好途徑。如此一來，也有效解決了電子企業深度參與學生工程教育的問題。

“數字電路”課程實現的產學合作、協同育人的途徑，以申請“教育部產學合作協同育人項目”為支撐，緊密聯系數字電子技術、可編程邏輯器件等行業領域的龍頭企業，開展基于“數字電路”課程的教學改革、師資培訓、新工科建設和創新創業等項目的申報與實施。以教改研究為契機，探索校企聯合、多方協同育人的模式，構建實施符合“新工科”發展指南的一系列產學合作項目。注重學生系統能力培養，充分發揮學生的天賦特長，探索新的實習模式，建設產學合作的面向“新工科”的工程實踐教育體系與實踐平臺。 支持學生在設計實踐中選用最新數字電子技術、EDA技術和廠商研發的新型產品，參與行業關注度高的各類創新創業競賽，爭取企業資助與支持。探索推進以“數字電路”為核心，延伸出的創新創業、創客空間實踐等活動，實現課程應用和工程實踐能力的深度拓展，開展產學合作的課程建設。

STEAM教育同時強調以人文精神（Arts）指引科學、技術、工程和數學教育，這也契合當前思政教育融入專業人才培養之中的思想。讓企業與高校共同參與“卓越工程師”的培養，同時也讓學生提前接觸社會行業領域，以親身體驗的方式形成自我的社會價值觀。在“數字電路”課程中實現產學合作、協同育人，可形成“人文精神（Arts）+數字電路技術工程實踐”的模式，以思政教育將學生的學習過程有機結合于我國在數字芯片設計與制造等方面的重大戰略需求、國外對我國在先進數字芯片技術上的封鎖和“卡脖子關鍵技術”問題等一系列時代背景中。在校企協同教學中，除了解決學生“學什么”以外，更加重視解決學生“為什么學”“學了能做什么”等問題，從而達到啟迪電子工程師初心的目的。

三、融入STEAM教育理念的教學設計樣例

從STEAM教育理念出發，按照以學生為中心、任務式情境的學習形式，融入產學協同育人、思政教育等思想，西南大學電子信息工程學院“數字電路”課程組從教學大綱、教學內容到文案設計等方面對該課程進行了重新建構。本文以課程中“施密特觸發器的基本原理與應用”一節的教學設計作為樣例，展示課程組重新構建的、融入STEAM教育理念的“數字電路”課程實施方法。

（一）課程分析

“施密特觸發器的基本原理與應用”一節的教學目標是：使學生掌握施密特觸發器的基本原理與應用。它是在學生掌握了各類觸發器的基本電路結構和工作原理之后，在了解了脈沖信號的分類以及主要參數的基礎上，進一步掌握常用的、典型的、應用于脈沖信號產生與整形的數字電路器件——施密特觸發器。課程內容為后續其他典型的脈沖產生與整形電路（單穩態電

路、多諧振蕩電路和555時基電路）的學習提供了基本模式和理論基礎。因此，本節課有承前啟后的作用，是“數字電路”課程的重要內容之一。

該節課的教學重點是讓學生掌握施密特觸發器電路的分析、設計與應用。其教學難點是讓學生從數字邏輯關系的數學（Mathematics）角度，從電路基本原理的技術（Technology）角度，深度理解由門電路構成的施密特觸發器的工作原理。最終的教學關鍵點將從工程（Engineering）的角度，融合思政教育背景落地到施密特觸發器的工程實踐應用。

（二）教學目標

為了更好地詮釋教材的理念，培養學生的創新能力，課程組確立了如下三個層次的教學目標。

1.知識目標：理解施密特觸發器工作原理。

2.能力目標：掌握施密特觸發電路的分析、設計與應用方法。

3.情感目標：讓學生理解在工程實踐中，施密特觸發電路有著廣泛應用，充分認識到數字電子技術在智能化、信息化產業中的重要地位。培養學生勤于思考、擅于分析的習慣與能力，能用所學所獲解決工程中的實際問題。使學生樹立起“現代數字電子技術是當前智能化、信息化產業發展的技術支撐之一”這一基本觀

點，理解數字電路的分析、設計、生產和制造在“中國制造2025”等國家戰略計劃中的重要地位，號召學生在專業領域要具有攻堅克難的科學精神和自強不息的愛國情懷。

（三）教學策略

在STEAM教育理念指導下，建立起該節課程的教學策略如表1所示，教師組織引導，學生主動參與，以期實現以體驗為主的課程學習模式。

（四）教學過程

按照上述教學策略，“施密特觸發器的基本原理與應用”一節的具體教學過程如表2所示。課程組將該節的實施過程按照課程大綱要求分解為6個子任務，針對各個子任務的特點采用不同的教學策略，使得STEAM教育理念能全面融入到課程教學之中，從而達到“卓越工程師”教育培養計劃的要求。

四、總結

從國家提出的“新工科”建設和“卓越工程師教育培養計劃”的高等工程教育要求出發，將當前“數字電路”課程的教學目標定位到面向“中國制造2050”等國家重大戰略需求中，面向中國智能化、信息化產業發展，為數字集成電路與芯片等行業輸送具有強烈職業愿景、優秀職業素養和扎實工程實踐能力的電子工程技術人才。要想實現這一課程新目標，STEAM教育理念無疑是重要途徑之一。秉承STEAM教育思想，對數字電路課程進行教學改革，以學科知識和工程能力為載體，以學生為中心，充分利用“線上MOOC學習+半翻轉課堂”的創新授課方式，以工程問題導向式的真實任務情景開展教學活動。開展編撰面向工程實踐的“設

計—實現”式“數字電路”實驗，實現學生基于“口袋實驗室”的個性化、項目制“數字電路”實驗課題的開展。通過建立數字電子技術相關企業的校外實踐基地，與國內著名數字集成電路、芯片公司開展校企合作、聯合授課等方式，將學生的課程實踐延伸至創新創業大賽、專業競賽等領域，有效提升學生在復雜數字電路系統分析、設計和制造上的能力。這一凝結STEAM教育理念的“數字電路”課程教學模式在“西南大學線上線下混合式國家級一流本科課程建設項目”支持下，在西南大學2018級電子信息類專業教學中進行了實踐和應用。從教務系統的在線評教調研上看，學生的平均課程滿意度達到了93.61%，比往屆學生評價高出了3個百分點。從課程期末總評成績上看，學生成績的優良比率達到了87.56%，證明課改大幅度提升了學生的知識內化效率。在今后的教學中，探索如何更加科學地融合STEAM教育理論和“數字電路”課程知識，更加有效地整合工程技能實踐，更加充分地發揮產學合作、協同育人的作用，將成為該課程持續性教學改革的重要方向。

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