新工科背景下“數字電路與邏輯設計”課程改革

李曉輝 程鴻 張艷

摘? ? 要：文章面向新工科建設需求，將以學生為中心的教育理念貫穿教學全過程，構建理論與實踐相結合、教師講授與學生討論相結合、課堂教學與課外自主學習相結合、創新實驗與科學研究相結合的“四結合”課程體系，建立新工科背景下以“數字電路與邏輯設計”國家級一流本科課程為核心的全方位資源共享課程平臺。將理論課程、實驗課程、課程設計與工程實踐、創新設計和科學研究有機結合，通過“傳統教學+信息技術+口袋實驗室仿真”教學方式，引導學生進行探究式、個性化學習，在課程體系、教學內容和方法，以及教學評價與實踐教學等方面進行了改革和探索。

關鍵詞：新工科；“數字電路與邏輯設計”課程；課程體系；教學內容；教學方法

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2023）12-0052-03

一、引言

新工科是新科技革命和產業變革背景下工程教育改革的重大戰略選擇，是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向，其目標為培養一大批引領未來技術與產業發展的卓越工程技術人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力支持和人才保障[1-2]。

“數字電路與邏輯設計”是電子信息類專業重要的專業基礎課，主要介紹數字電路與邏輯設計的基本知識、基本器件和基本方法，討論邏輯電路的分析、設計與實現的全過程[3]。安徽大學“數字電路與邏輯設計”課程為首批國家級一流本科課程。課程組以教學改革和科學研究為載體，按照新工科建設和工程教育認證需求，將理論課程、實驗課程、課程設計與工程實踐、創新設計和科學研究有機結合；將數字電子技術領域的新技術和新方法納入教學內容；將教師科研成果、工程設計方法和實踐經驗融入教學，在課程體系、教學內容和方法，以及教學評價與實踐教學等方面進行了改革和探索。

二、建設內容

（一）優化課程體系

將以學生為中心的教育理念貫穿教學全過程，構建理論與實踐相結合、教師講授與學生討論相結合、課堂教學與課外自主學習相結合、創新實驗與科學研究相結合的“四結合”課程體系。理論與實踐相結合：在掌握理論知識的同時，面向工程實際，充分發揮實踐教學的作用，提升學生對理論知識的理解和掌握程度。教師講授和學生討論相結合：培養學生發現問題、解決問題的綜合能力和高級思維。課堂教學與課外自主學習相結合：課堂教學主要解決高階內容，低階內容由學生課外自主學習。創新實驗與科學研究相結合：發揮科學研究的反哺作用，鼓勵學生進行探究性實驗，培養學生的科學思維能力。

（二）重構教學內容

根據知識傳授、能力培養和價值塑造融為一體的理念，結合課程特點，全過程、全方位（課內、課間、課外；講授、討論、作業）融入社會責任感，馬克思主義方法論、實踐觀等思政元素，建立課程思政案例庫，使學生在知識學習中塑造正確的世界觀、人生觀和價值觀。在教學案例、仿真驗證、課外作業及教學網絡平臺討論等環節中融入思政元素，培養學生不斷探索、追求真理和勇于創新的科學精神，以及嚴謹認真的職業素養和社會責任感[4]。

例如，在邏輯函數化簡知識點教學過程中，教師結合實際工程需求，引導學生在面對復雜工程問題時，一定要在思維和方法上由簡切入，關注問題的重要環節。在實際系統設計時，需要從全局出發，處理好整體和局部的辯證統一關系，使系統實現最簡化，以此培養學生的哲學思維，使學生樹立整體觀和全局意識。由邏輯函數化簡引伸到工程系統的優化，讓學生認識到在滿足綜合性能的前提下，工程系統設計必須考慮系統的冗余性，在保證性能的前提下進行化簡，從而實現系統最優。在計數器設計中，為達到邏輯設計的最簡，有可能會出現計數器不能自啟動的現象，如果要求首先保證自啟動功能時，則需要犧牲邏輯電路的最簡。因此，教師應引導學生在實際工程設計時，分析計數器不能自啟動的原因，修改邏輯設計并實現計數器的自啟動功能。同時，教師應要求學生在今后的學習和工作中，一定要抓住問題的主要矛盾，做到主次有序。當前，學生的首要任務就是認真學好專業知識，提高自己分析問題和解決問題的能力，為將來建設國家打好堅實的基礎。

面向新工科建設需求，突出科研對教學的促進作用，增強課程內容的廣度和深度，培養學生深度分析、解決復雜問題的綜合能力和高級思維[5]。教師將工程實際項目?“智能交通信號燈設計”作為教學案例，引入到計數器設計知識點的教學中，案例涉及傳感器、人工智能等交叉學科，適應新工科建設需求，體現內容的高階性和創新性。實踐證明，教師將承擔的科研項目引入教學，能夠使學生加深對理論知識的理解，培養學生綜合應用所學知識解決復雜工程問題的能力。

教師應注重教學內容的前沿性和時代性，將科技前沿、學術研究、工程實踐等最新研究成果和技術引入課程，培養學生的創新意識和科學精神。例如，教師可將數字電子與模擬電子的融合芯片、5G通信電路等數字電子技術發展的前沿成果引入教學，使學生了解、掌握數字電子技術的最新知識和發展動態。

（三）重組教學方法

強化知識、能力和素質的有機融合，以提出問題、分析問題和解決問題為主線，將教學安排分為課前預習、課中講授討論、課后拓展3個環節，做到課前有準備、課中有突破、課后有思考。結合學生已掌握的知識、學習習慣和能力，教師可從以下2個方面來分階設計教學內容。

1.知識點分階。由易到難，將知識點內容分成低階內容和高階內容。學生通過自學即可掌握的知識點為低階內容，如基本邏輯運算、集成電路芯片的功能介紹等；需要更深層次的學習才可掌握的知識點為高階內容，如基于中規模時序邏輯電路的設計方法。

2.理論和實踐分階。根據知識點的特點和實踐情況將教學內容分為理論模塊和專題案例模塊，針對組合邏輯電路和時序邏輯電路分別設置專題，由學生分組討論設計完成。采用混合式教學方法，低階內容由學生利用線上網絡資源進行自主學習，教師全程關注學生的學習情況，并給予必要的指導。對于學生沒有掌握的知識點，教師將在線下教學時有針對性地進行重點講解。

教師通過“傳統教學+信息技術+口袋實驗室仿真”教學方式，引導學生進行探究式、個性化學習。教師利用課程組和電子儀器公司合作開發的“數字電路口袋實驗

室”（自制教具），在課堂上進行實驗效果的演示，同時，選定若干作業由學生課后完成，并進行實驗驗證。對于較復雜的設計題目，則需要學生組成團隊開展研究、討論，并進行報告和答辯。以“智能交通信號燈設計”為例，教師的活動包括提出問題、講解原理、解答難點、點評方案和歸納總結，學生的活動包括分析問題、研究思考、分組討論、方案設計、實驗驗證、總結匯報和學生互評。教學組織形式充分體現了教師主導、學生為主體的思想，通過師生互動、生生互動和多元評價，使學生深度參與課堂，提高了學生的學習效率和熱情，鍛煉了學生的團隊合作能力和思辨能力。

在新冠疫情期間，針對實踐活動不易開展的現實情況，教師采用Multisim軟件仿真方法幫助學生加深對知識點的理解和驗證。教師通過共享屏幕、直播討論等方式，遠程指導學生在Multisim軟件中進行邏輯電路的設計。仿真實驗過程中，教師注重學生科學思維的培養，引入實際工程中環境對電路的影響，引導學生分析原因，并修改、完善設計方案，最終得出正確的實驗結果，以此培養學生工程實踐觀念和發現、分析、解決問題的能力。

（四）重建課程評定方式

根據課程特點，制定課程考核評價環節及權重以提高學生的學習積極性。課程考核包括平時成績、期中考試和期末考試等環節（表1）。建立多重教學效果反饋機制，通過作業、課堂提問、課間答疑、討論答辯及網絡交流等途徑，及時掌握學生的學習情況，改進教學內容和方法，保證教學質量。

（五）強化實踐教學

將實驗課程統一規劃、系統安排，實現了實驗課程模塊化、實驗內容層次化、培養模式多樣化、教學手段現代化、教學方法多元化[6-7]。基礎性實驗主要采取現場指導的實踐教學方式；設計性實驗主要采取開放式自主實踐教學方式；創新研究性實驗主要采取學生自主選題、導師課外輔導的研究式教學方式；工程性實驗主要采取分段式和開放式教學模式，即在確定的時間段內進行開放式實踐。

在實驗教學手段上，采用仿真實驗與實際實驗相結合的方法，充分利用多媒體技術和網絡教學手段，強化實驗教學效果。要求學生至少掌握一種仿真軟件的使用方法，在實驗中充分而靈活地應用仿真軟件，做到“軟硬”結合，掌握數字邏輯電路的設計方法，從而實現“二個轉變”“一個提高”，即實現由基礎驗證性實驗向綜合設計性實驗轉變，由傳統性實驗向創新性實驗轉變，進而提高實踐能力和創新精神。

充分依托綜合性大學文化優勢，將大學生科技活動延伸至課堂教學，進一步提高學生的實踐能力和創新精神。按照“學科競賽與學術活動相結合、科技創新與科研實踐相結合、成果轉化與育人成才相結合”的原則，開展以培養學生實踐能力和創新精神為目標的科技創新活動及工程應用研究，使學生系統掌握電子系統設計過程中選題、立項、方案論證、電路設計、系統測試、總結報告、文檔整理等環節的功能和要求，充分發揮學生的能動性和創造力。

（六）注重資源建設

依托“電子線路和電子技術課程群”國家級虛擬教研室平臺，發揮安徽大學所屬華東地區教研室的優勢，突出安徽大學“數字電路與邏輯設計”虛擬教研室的特色；創設雙向共建虛擬教研室的組織形式，構建新工科背景下以“數字電路與邏輯設計”國家級一流本科課程、省級精品課程、省級精品資源共享課程和省級大規模在線開放課程示范項目為核心的全方位資源共享課程平臺。虛擬教研室成員發揮各自優勢，拓展課程素材，豐富課程資源，協同共建教學大綱、知識圖譜、教學視頻、電子課件、習題試題、教學案例等教學資源，形成以“立德樹人為根本、智慧平臺為載體、校際合作為途徑、示范引領為目標”的“四位一體”虛擬教研室。教研室成員共同編寫的“數字電路與邏輯設計”課程教材已被安徽大學、合肥工業大學、華東師范大學等10余所高校選用，得到了師生的一致好評。新編教材《數字電路與邏輯設計》被教育部高等學校電工電子基礎課程教學指導分委員會評為推薦教材。

“數字電路與邏輯設計”課程已建有教學大綱、教案、課件、習題庫、試題庫、課程思政案例庫和優秀課程設計論文庫及全部課程視頻資源，使學生能夠最大限度地利用學習資源，開展自主學習。“數字電路與邏輯設計”課程教學平臺已上線國家高等教育智慧教育平臺和學銀在線平臺，目前，國內已有多所高校的1 500 多名學生在線學習和交流。

三、結束語

“數字電路與邏輯設計”課程教學改革與實踐表明，堅持以學生為中心的理念，將新工科建設要求貫穿教學全過程，加深了學生對理論知識的理解，使學生應用所學知識解決復雜工程問題的能力得到有效提升，實踐能力和創新精神得到全面提高，形成了適合學科特色和學生特點的教學模式。思想政治教育與專業教育有機結合，使學生在潤物細無聲的知識學習中形成了正確的世界觀、人生觀和價值觀，自身的知識、能力和素質得到發展，實現了課程教學目標。

參考文獻：

[1]? 劉坤，賈盼，張珊.新工科建設推進范式的轉換與迭代：第五屆中國高等工程教育論壇之新工科專業建設與發展分論壇綜述[J].高等工程教育研究，2021（1）：197-200.

[2]? 秦璐，董羽.新工科背景下工程教育人才培養模式的創新性研究[J].江蘇高教，2022（12）：90-94.

[3]? 張延軍，盧繼華，孫磊.“三位一體”教學模式在“數字電路”課程中的應用[J].電氣電子教學學報，2022，44（6）：43-47.

[4]? 陽令明，何永紅，田瓊.新工科視域下課程思政教育改革的思考[J].黑龍江教育（理論與實踐），2022，76（9）：27-30.

[5]? 胡玉霞，邵慧，金海紅，等.新工科教育背景下“數字?電子技術”課程教學改革與實踐[J].科技風，2022（35）：96-98.

[6]? 魏青梅，馬靜囡，魏斌，等.數字電路課程教學模式的創新與實踐[J/OL].教育現代化，2020，7（42）：19-21[2023-04-19]. https：//kns.cnki.net/kcms2/article/abstract？v=?3uoqIhG8C44YLTlOAiTRKibYlV5Vjs7i8oRR1PAr7RxjuAJk4dHXoufCYjluazM_eN1IpKM4m9jViNNGdjWh-LIjYa28bE7B&uniplatform=NZKPT.

[7]? 劉毅，付麗.“數字電路”教學模式改革效果研究[J].黑龍江教育（理論與實踐），2021，75（4）：71-72.

收稿日期：2023-03-28? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 修回日期：2023-04-19

作者簡介：李曉輝（1961—），男，安徽合肥人，安徽大學電子信息工程學院教授，博士，研究方向為通信與信息系統。

基金項目：國家級新工科研究與實踐項目“基于多學科交叉復合的新工科集成電路與系統專業及學科探索、建設與實踐”（E-06-2018019）；安徽省質量工程項目“電子線路系列課程教學團隊”（2019jxtd0）、“‘數字電路與邏輯設計大規模在線開放課程”（2019MOOC028）