基于科研項目的數字電子技術教學改革探究

摘 "要 "近年來，我國對集成電路人才的培養越來越重視，為滿足集成電路產業對人才工程實踐能力的要求，提高學生學習數字電子技術課程的積極性，探究一種基于科研項目的數字電子技術課程教學改革方法。分析數字電子技術課程在日常教學中重視理論教學、忽略實踐操作的問題，分別從課堂導入環節、課程目標設計、課堂組織形式以及課程評價四個方面進行介紹，并把集成電路產業“卡脖子”困境融入教學，激發學生愛國情懷，培養學生社會責任感，為后續課程的學習奠定基礎。

關鍵詞 "新工科；數字電子技術；科研項目；工程實踐能力

中圖分類號：G642.0 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）12-0103-03

0 "引言

數字電子技術是電子信息類工科專業如微電子科學與工程、電子科學與技術、通信工程等專業的重要課程之一[1]。目前，該課程還是以傳統的教學模式為主，參照教學大綱在課堂上進行理論知識的講解，主要內容包括基本邏輯門器件、組合和時序邏輯電路、常用組合和時序邏輯功能器件、脈沖產生電路等[2]。此外，該課程還包含部分驗證型實驗和設計型實驗。通過理論和實驗的結合，學生可以對數字電路有基本的理解和認識，掌握常用數字電路的分析和設計方法。在新工科建設背景下，如何培養具有工程實踐和創新能力的多樣化工程人才，為我國集成電路產業發展提供人才支撐，是高校和教師的當務之急，也是長遠之策。

當前，電子產品的開發速度日益加快，為了滿足集成電路的產業需求，對高校的相關專業和課程結構提出新的要求。數字電子技術作為電子信息類專業的專業基礎課，只有具有技術更新速度快、實踐性更強的特點，才能緊跟集成電路產業的發展趨勢[3]。工程實踐能力強是集成電路產業的一個重要特點，因此，對數字電子技術課程中的實踐要求也進一步提高，這不僅可以作為培養學生創新精神的重要途徑，而且能將理論知識應用到工程實踐中[4]。但是重理論、輕實踐依舊是當前數字電子技術課堂教學中的一大問題。基于此，本文將科研項目與數字電子技術課程進行有機結合，從課堂導入、教學設計、課堂組織和課程評價四個方面進行介紹，培養學生從項目中發現科學問題，運用理論知識解決實際問題，提高學生實踐創新能力。

1 "數字電子技術課程教學現狀和存在的問題

隨著電子技術在生產生活中的快速發展，數字電子技術研究成果在各種電子產品中已得到廣泛應用。數字電子技術課程是電子信息類專業的核心基礎課程，其教學模式比較傳統，由教師在課堂上單向授課，學生被動學習，通過反復記憶、練習、預習和復習加深對理論知識點的理解。在這種教學模式下，學生的參與度和積極性都不高，而且實踐性較弱，不能滿足新工科背景下對學生實踐和創新能力的要求，難以滿足國家戰略和產業需求[5]。

數字電子技術課程的實驗課作為理論課程的實踐環節，在一定程度上可以鍛煉學生的動手操作能力。但是，由于實驗設置以驗證性實驗為主，學生按照實驗流程驗證實驗結果，撰寫實驗報告，不能將整體的理論知識進行實踐驗證，只是把課堂理論知識的正確性加以驗證，分析問題和解決問題的能力不足，知識結構缺乏整體性和創新性。這種教學效果與新工科建設背景下集成電路產業對人才創新和實踐能力的要求還有很大差距。因此，尋找能夠使學生產生學習興趣，培養學生形成獨立思考習慣和提高學生創新實踐能力的教學模式十分必要。

傳統的數字電子技術課程考核評價一般采用平時考核、期中考試、實驗考核和期末考試的形式，這種重理論、輕實踐的評價方式不能全面考查學生運用理論知識解決實際問題的能力，更重要的是不能對學生的實踐能力進行考查，尋找適用于新工科背景下數字電子技術課程的評價機制勢在必行。

2 "科研項目與數字電子技術課程的融合

數字電子技術是一門理論與實踐聯系較為緊密的學科，是后續半導體器件物理、晶體管原理、硬件描述語言等多門專業課的學科基礎課。為了滿足集成電路企業的人才需求，在課程教學中需要培養具有科創精神和實踐能力的工程技術人才。基于科研項目的數字電子技術教學以項目導向的方式進行理論知識的講授和教學，基于產出為導向的教育理念，把實踐能力的提升作為最終的產出。課堂以項目的形式展開，分為四個環節：1）課堂導入環節，通過科研項目的研究背景引出課堂需要講授的知識點，以小規模的邏輯門電路為例；2）以今后科研項目中用到的電子器件為目標進行課程設計；

3）課堂組織以項目組的形式進行，組內成員共同討論設計原理和設計方法；4）通過EDA軟件進行仿真，對設計原理進行驗證，最終通過制作實物來驗證功能，并作出合理的課程評價。各環節之間的關系如圖1所示。

2.1 "基于科研項目的課程導入

在講解邏輯門電路之前，先從日常生活中常見的與集成電路相關的電子產品如智能手機、PC、平板等入手，讓學生明白集成電路與自己的生活息息相關。在此基礎上，讓學生進一步掌握大、中、小規模集成電路的分類方法。小規模集成電路一般由幾個或十幾個邏輯門電路組成，而邏輯門電路就是數字電子技術課程中實現邏輯功能的最小器件。此外，結合當前的半導體產業和國內外科技形勢，國內華為、中興和飛騰等眾多集成電路相關的企業多次受到西方國家的技術封鎖，集成電路成為制約我國經濟和科技發展的“卡脖子”問題，解決這一問題的關鍵在于人才[6]。所有的學生就像集成電路產業中的“邏輯門”，只有更好地學習本專業的相關知識，掌握相關的工程實踐技能，成為集成電路領域的人才，才能為集成電路這個“集體”貢獻自己的力量。

2021年9月27日，習近平總書記在中央人才工作會議上強調，要圍繞國家重點領域、重點產業，組織產學研協同攻關，加快“卡脖子”關鍵核心技術突破。集成電路是“卡脖子”產業之一，需要學生更好地學習相關的專業基礎知識，提高工程實踐能力，為國家和民族的復興貢獻自己的力量。本節課所講授的“基本邏輯門”知識點，從日常生活入手，結合產業的國內國外局勢，提高學生的學習興趣和愛國熱情，提升學生對所學專業的認可度。

2.2 "基于科研項目的課程目標設計

為了進一步鞏固本節課所學的基本的邏輯門電路相關知識，以項目組的形式，指導學生進行相關的理論知識學習，引導學生進行項目開發，以學生為主體，進行項目的方案設計、項目的實物制作和最終報告撰寫。以設計一個血型關系檢測電路為例，說明課程目標的設計過程。人類共有四種血型，分別為A、B、AB、O。輸血者與受血者需要滿足原則：O型血可以給任意血型的人進行輸血，但只能接收O型血；A型血可以給A型和AB型的人輸血，只能接收A型和O型血；B型血可以給B型和AB型的人輸血，只能接收B型和O型血；AB型血只能給AB型的人輸血，但能接收其他三種血型的血。輸血者和受血者之間滿足圖2所示的關系。試用基本邏輯門電路設計一個小規模集成電路，判斷輸血者和受血者是否符合規定，如符合輸出1，不符合輸出0，采用的門電路形式不限。根據這一課程目標，把班級學生分為若干項目組，每組學生不多于五人，組內學生要把項目拆解后分工合作，每個學生負責不同的模塊。學生在學習邏輯門電路相關知識的同時，還需要把之前學到的知識如邏輯代數的化簡、組合電路的設計等串聯，并且需要利用相關的EDA工具進行仿真驗證。

2.3 "基于科研項目的課堂組織

基于科研項目的課堂組織形式采用線上線下混合式教學模式，利用線上平臺如雨課堂、學習通等，讓學生在上課之前先進行預習，提取不易理解和掌握的知識點，帶著問題上課，以先學后教的方式開展教學工作[7]。根據之前的課程目標，教師先講解血型檢測電路的背景和關鍵知識點，再針對學生歸納總結的不易理解的問題進行重點講解。以項目組的形式讓學生查找資料，充分討論設計原理和設計方法，確定本組的設計方案，然后將本組的方案分享給其他組的學生，班級學生一起討論方案的可行性和合理性，根據其他學生的建議，對本組的設計方案做進一步優化。在此過程中，遇到不能解決的共性難題，可以在線上平臺以舉手、發彈幕等形式提問，由教師進行統一解答，再輔以相關的習題進行知識點的鞏固。這種課堂組織形式能提高學生的課堂參與度和積極性，讓學生綜合運用所學知識解決問題，提高學生解決問題和工程實踐能力。此外，項目的設計過程中會使用EDA工具，學生可以通過仿真驗證電路的連線、調試和測試結果，更自由地進行探索式學習，提高創造能力。

2.4 "基于科研項目的課程評價

課程評價對于調動學生的學習積極性至關重要。課程評價要全面、真實、客觀地反映學生理論知識和工程實踐能力，要能體現學生對所學知識的理解運用能力、分析問題和解決問題的能力，也要反映學生的溝通能力和團隊協作能力。基于科研項目的課程評價采用項目成果的評價形式，一方面把項目拆解為多個過程性節點，在每一個項目節點上對學生的成果進行考核；另一方面，讓學生以項目組為單位提交每組制作的實物和設計說明書，并就自己的設計進行答辯，闡述設計原理和設計方案以及組內成員的分工，將成績納入期末考試成績并適當提高成績比例。

由于血型檢測電路的設計沒有限定邏輯門的種類，這為學生的設計方案提供了多種可能性。因此，除了實物是否實現血型檢測功能這一評價結果外，電路設計過程中邏輯門的數量和輸入端的個數是否最少也是重要的評價標準，這種評價的目的是將外界干擾減到最少，芯片設計和制造的可靠性才會最高。讓學生在小規模集成電路的設計中掌握基本的設計原理和設計原則，為中規模和大規模數字集成電路的設計奠定基礎。這一部分成績作為實踐環節的成績，從實物演示的角度評定學生的實物完成情況，如電路調試、焊接、仿真等；實驗說明書答辯主要評定學生的綜合能力，包括創新思維、寫作能力和團隊協作能力。另外，還有平時考核和期末考試，平時考核主要對學生的課堂參與度、作業完成度、學習態度等進行評定，期末考試主要考查學生對理論知識的掌握程度。

根據上面的綜合評價結果，對結果不達標的學生進行重點分析，查找原因并改進教學方案和教學模式，優化教學內容，改進教學手段，進而促進教學質量和學生培養質量的提高。

3 "結束語

傳統數字電子技術課程教學中存在重理論、輕實踐的問題，不利于后續課程的學習和集成電路人才的培養。探究基于科研項目的數字電子技術課程教學方法，從課堂導入、課程目標設計、課堂組織形式和課程評價四個方面進行教學改革探究，根據學生的學習評價結果，進一步改進優化課程的教學方法和教學手段，提高學生的工程實踐和創新能力。此外，把集成電路產業目前遇到的“卡脖子”困境融入課堂教學，提高學生對專業的認可度，激發學生愛國熱情，為后續其他專業課程和實踐課程的學習奠定基礎。

4 "參考文獻

[1] 董玉冰，李明晶.新工科背景下混合式創新教學在數字電子課程中的應用探索[J].長春大學學報（自然科學版），2017，27（10）：117-120.

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[3] 賈紹芝，陳彬兵，劉婕，等.適應“新工科”發展的“數字電子技術基礎”課程教學探索[J].工業和信息化教育，2018（12）：6-10.

[4] 張克聲，饒文貴，程星晶.新工科建設下地方普通高校數字電子技術課程的實驗教學改革探究[J].韓山師范學院學報，2020，41（3）：79-85.

[5] 胡曉軍.孵化設計：項目化學習中教師的使命：以信息技術學科為例[J].江蘇教育，2019（22）：16-18.

[6] 馬勝，沈立，王勇軍，等.新工科背景下集成電路設計人才培養的實踐教學體系建設探索[J].實驗室研究與探索，2022，41（1）：206-210.

[7] 丁世林，王潔雯.在有意與無意之間：課程思政實施策略研究[J].佳木斯大學社會科學學報，2019，37（6）：

169-172.