“項目牽引、內容重構、多維融合”
——數字電子技術一流課程建設的探索與實踐

張艷花，王黎明，韓躍平，楊凌，薛英娟，馬驥祥

（中北大學電工電子國家級實驗教學示范中心，山西太原 030051）

為了應對新的科技革命和產業變革，提升我國的硬實力，亟須培養德才兼備的高素質綜合型工科人才[1-3]。為此，2017 年，教育部啟動了新工科建設計劃。新工科以“工程教學新理念、學科專業新結構、人才培養新模式、教育教學新質量和分類發展新體系”為主題，以培養具有實踐創新能力的跨學科復合型人才為目標[4-9]。課程作為人才培養體系的核心要素，是決定人才培養質量的關鍵。2018 年，教育部在新時代中國高等學校本科教育工作大會上正式啟動一流課程建設“雙萬計劃”，主題為“淘汰水課、打造金課”，旨在進一步提升課程教學質量[10-12]。因此，如何在有限的時間內更加高效地完成教學任務是授課教師亟待解決的問題。

數字電子技術是一門電子技術入門性質的學科基礎課程，是電子類、信息類等相關專業的必修課程，其理論性強，對實踐和創新的要求高。以往數字電子技術課程教學過程往往按照“基礎→綜合→應用”順序實施，實驗環節放在課程的從屬地位，隱性地割裂了理論知識的積累與應用，加之課堂上學生的主體地位不夠突出，使得學生學完該課程后會做題和設計幾個功能簡單的數字邏輯電路，但面對實際的工程項目時不會解決工程問題，更難以提升創新能力。因此，為了配合新工科、工程教育專業認證、一流本科教學、一流課程建設和培養創新人才的要求，將數字電子技術課程的教學內容與能力培養系統、有機地融合，進行“以學為主”的教學改革。

1 一流課程建設

以項目模塊和系統設計為核心，縱向組織課程內容，以項目模塊的設計代替傳統實驗內容，理論教學、實驗和工程實踐緊密融合，課程的學習過程變為數字電路設計的系列課程，由簡單到復雜，由局部到整體；在教學環節中，以自我探索、深度引導、理論嚴謹、訓練充分為基本方法，強調研究性和自主探索性學習，培養學生的自主學習、創新能力，具體包括以下研究內容。

1.1 凝練課程導引項目，設計體現學生能力和職業素養培養的內容

課程組依托團隊科研項目，提煉符合課程目標、覆蓋面廣、體現技術前沿性和“兩性一度”的典型工程項目作為整個課程的導引項目。以“洗衣機控制器的設計”為例，該項目包含組合邏輯電路、時序邏輯電路、脈沖的產生與整形電路的設計等內容，覆蓋面廣，囊括了課程的重要設計內容；設置應用FPGA進行設計的要求，體現了技術前沿性；設置多種實現方法比較并優化的環節，突出創新能力的培養；設置系統調試與優化設計環節，充分體現了系統級電路的設計能力、調試能力和工程素養要求。總之，相比組合邏輯電路、時序邏輯電路和大規模集成電路等模塊各自采用一個導引小項目的設計，一個大導引項目貫穿整個課程學習的設計，更能充分體現課程的高階性、創新性和挑戰度。

1.2 構建“理論教學、實驗、工程實踐能力和課程思政有機融合”的一體化課程體系

課程原來設置為“理論48 學時+實驗16 學時”，學生先學習理論，然后做實驗，實驗環節處于課程的從屬地位。課程改革以“洗衣機控制器的設計”等工程實例中的任務需求為牽引進行內容重構，將以往“基礎→綜合→應用”的教學過程轉變為模塊化的學習體系，實現了理論教學與實驗和工程實踐能力的有機融合。如洗衣機控制器組成與課程模塊圖1 所示，由項目導引，課程具體分以下幾個模塊：邏輯代數基礎、組合邏輯電路、時序邏輯電路、脈沖信號的產生與整形電路、大規模集成電路。

圖1 洗衣機控制器的組成與課程模塊

各模塊的學習由項目模塊的設計作為導引，并設置項目考核課堂環節。其中，前4 個模塊為子系統，圍繞同一模塊可融合線上教學、課堂教學、案例研討、實驗實踐、工藝提升等教學形式，強化學生接受知識、應用知識、探索創新的一體化教學過程，激發學生對知識的探究，提高學生的知識應用能力、科學思維能力和創新能力。第5 個模塊為子系統級聯模塊（綜合系統），不僅使學生的知識應用能力、科學思維能力、創新能力得到進一步提升，而且提高了學生的系統級電路設計能力、調試能力和工程素養。

另外，在課程學習和項目設計中有機融入思政元素。通過課程思政，使學生受到愛國主義教育，樹立社會主義核心價值觀，具有創新精神和職業素養[13-14]。如在項目FPGA 設計模塊中，將我國大規模集成芯片發展局限的問題融入學生線上線下學習和討論中，培養學生的辯證思維、愛國情懷和社會責任感，充分發揮了課程全程育人、全方位育人的大思政格局。各模塊已錄制思政微視頻的案例如表1所示。

表1 課程思政案例

1.3 采用“結合優秀教學資源線上線下多種混合模式”的教學方法

課程組對國家級精品課程進行了轉型，將課程建設為省級精品資源共享課程，在高等教育出版社出版了數字化教材，在超星爾雅、高教出版社MOOC資源網發布了課程知識點微視頻、實驗微視頻、知識點在線測試題、作業題庫、電子工藝實訓視頻、應用案例、課外閱讀資料和電子設計大賽報告等豐富的課程MOOC 資源，近3 年在線學習訪問量累計600多萬次。這些開放共享資源為開展“以學為主”的混合式教學提供了支撐，也為貫徹“以學生為中心”的教育理念，實現由“教”到 “學”教學方式的順利過渡提供了實踐平臺。

由工程項目導引，采用“任務→模塊→系統→創新”的教學體系，輔之以在線學習、翻轉課堂、對分課堂、團隊學習等教學模式，突出能力和素質培養，引導學生進行探究性和個性化學習，實現了由“教”到“學”的轉變，提高了學生的學習積極性及學習效果。

例如時序邏輯電路模塊，以60 進制計數器、洗滌時間計數器和洗滌定時控制電路3 個子模塊電路的設計導引，來完成時序邏輯電路的教學。在具體的課程教學過程中，線上教學、線下教學和實驗實踐相融合。如為了克服線下授課芯片有限的局限性，中規模計數器內容通過線上教學完成，引導學生在線自主探究性學習，不僅學會應用74160、74161、74290 等芯片，而且利用線上豐富的資源拓展學習，學會應用74162、74163 以及可逆計數器74190 等芯片。隨后對應地設置線下的任意進制計數器設計的研討式教學，強調計數器的基本設計方法，加強對芯片的靈活應用能力，解決學生只會應用少數芯片的問題。子模塊導引項目中雙定時電路的設計有多種方法，既可以基于觸發器，采用經典的同步時序邏輯電路的設計方法來進行，也可以利用中規模集成芯片構成的計數器和譯碼電路來實現。教學過程中可以設置多種情境，激發學生的主觀能動性，對多種設計方法進行分析比較。模塊電路設計具體實踐內容包括電路設計與原理分析、EDA 仿真、調試、功能和指標測試等，為培養學生團隊意識和協作精神，課下由學生組成小組協作完成。為解決設計過程出現的問題，設計期間貫穿線上線下生生討論、師生討論。

1.4 構建“五階段，三層次”的多元過程考核模式

將理論知識講授、能力和素質培養、思想政治教育三者有機結合，并采用激發學生創新能力和團隊合作精神的過程性考核評價方式。

課程考核打破了傳統以“作業、考試、實驗”為主的模式，由“在線成績（20%） +過程子模塊測試（30%） +系統測試（20%） +理論考試（30%）”4 個部分組成。其中，在線成績根據自測題、在線作業題、網上資料查詢與總結、在線討論參與度等給出；理論考試包括課程基礎內容和應用。增加“五階段，三層次”的過程考核，前4 個階段模塊即組合邏輯電路、時序邏輯電路、脈沖信號的產生與整形電路、大規模集成電路4 個過程子模塊，考核包含電路設計、仿真、調試、功能與指標測試等；第5 階段，將過程模塊合理級聯成系統并從系統級進行優化，考核從基本功能、工程化要求、創新性3 個層次進行，學生講解設計方案并進行演示，通過測評、自評、互評、教師點評相結合的方式進行成績的認定。

“五階段，三層次”的實踐考核模式加強分層次分階段過程考核的同時，培養了學生的創新思維，有效解決了能力培養環節薄弱的問題。

改革后，課程設置變化為線上學習（20 學時）+線下課堂（34 學時）+項目模塊和系統考核（10學時）。

2 教學實施

課前：通過超星慕課平臺布置項目設計任務和自主學習任務單，發布知識點測試題、作業題，突出以項目、任務及問題為探究載體，引導學生在線自主探究與合作學習，重構“以學為主”的教學過程。

課中：線下授課采用“討論課堂+翻轉課堂+對分課堂+團隊學習”的混合式教學模式，加強了師生的交流互動，促進了學生的深度學習；設置“五階段，三層次”項目答辯考核以檢驗學生的學習效果，并根據反饋效果，加強薄弱環節的教學設計，全面提高課程的教學質量。

課后：學生需要完成作業，并在觀看平臺基礎實驗視頻的基礎上，依托中北大學國家級電工電子實驗教學示范中心自主完成項目的設計、仿真和調試，對項目設計以及作業中不清楚的地方可以在討論區提問，教師團隊及時回復，積極引導。為體現個性化的教學，根據課程目標的實際需要，開設基于FPGA 設計等專題講座、專題直播課，拓展學生的學習領域。

3 結束語

課程組已對三屆通信卓越工程師班進行了以上教學模式的改革與實踐。實踐表明：“工程牽引，任務驅動、內容重構”的教學內容設置、“結合優秀教學資源線上線下混合模式”的教學方法及“五階段，三層次”的全過程考核方式，將原來按章節教學改為按模塊教學，將知識點按照模塊任務進行重組，實現了理論與實驗、實踐、工程需求的有機融合，增加了課程的挑戰度，有利于學生自主構建知識體系，深層次掌握基礎知識；實現了由“教”到 “學”學習方式的轉變，提高了學生的學習積極性；有利于培養學生的創新思維，提高學生學習的成就感。