基于STEM理念的數字電路課程教學改革與實踐

摘 要 在新工科建設和工程教育認證背景下，傳統數字電路課程的教學模式已難以滿足卓越工程師培養的需求。在此背景下，文章以STEM（科學、技術、工程和數學）教育理念為指導，結合Logisim軟件在數字電路課程教學中的應用，探索了一種全新的教學模式。文章首先分析了當前數字電路課程教學中存在的問題，進而提出了基于STEM理念和Logisim軟件的教學改革方案，并闡述了教學內容、教學方法、實踐環節以及評估體系等方面的改革措施，旨在為提升我國數字電路課程教學質量提供新的思路和方法。

關鍵詞 工程教育認證；STEM理念；Logism軟件；數字電路；教學改革與實踐

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.03.003

Teaching Reform and Practice of Digital Circuit Course Based on STEM Concept

LI Jing

（School of Information Engineering， Nanjing Xiaozhuang University， Nanjing， Jiangsu 211171;

School of Artificial Intelligence， Nanjing Xiaozhuang University， Nanjing， Jiangsu 211171）

Abstract Against the backdrop of emerging engineering education and engineering education certification， the traditional teaching mode of the \"Digital Circuit\" course can no longer meet the requirements for cultivating \"outstanding engineers\". Under such circumstances， guided by the STEM （Science， Technology， Engineering， and Mathematics） educational concept and combined with the application of Logisim software in the teaching of the Digital Circuit course， this paper explores a brand - new teaching mode. Firstly， it analyzes the existing problems in the current teaching of the Digital Circuit course. Subsequently， it proposes a teaching reform plan based on the STEM concept and Logisim software， and elaborates on the reform measures in aspects such as teaching content， teaching methods， practical links， and evaluation systems. The aim is to provide new ideas and methods for improving the teaching quality of the Digital Circuit course in China.

Keywords engineering education certification; STEM concept; Logism Software; digital circuit; teaching reform and practice

在全球化與信息化浪潮的推動下，工程教育正經歷著前所未有的變革。作為高等教育體系中的重要組成部分，工程教育不僅承載著培養未來工程師的重任，還肩負著推動科技進步、促進經濟社會發展的歷史使命。近年來，隨著STEM（科學、技術、工程和數學）教育理念的興起，全球范圍內對工程教育的要求和標準也在不斷提升[1]。STEM教育理念強調跨學科整合與綜合應用，旨在培養學生的創新思維、實踐能力和解決復雜問題的能力，這與當前社會對工程人才的要求高度契合[2]。

數字電路作為計算機科學與技術類專業的基礎課程，是連接理論與實踐、培養工程素養的重要橋梁。然而，傳統的數字電路教學模式往往側重于理論知識的傳授，忽視了對學生實踐能力和創新能力的培養。面對這一挑戰，如何將STEM教育理念融入數字電路課程教學，創新教學方法和手段，提升教學質量和效果，成為當前工程教育改革的重要課題[3]。

本文正是基于這一背景展開的研究，旨在探討STEM教育理念和Logisim軟件在數字電路課程教學中的應用與實踐。通過深入分析當前數字電路課程教學中存在的問題和不足，結合STEM教育理念的精髓和Logisim軟件的優勢特點，提出了一系列具有針對性和可操作性的教學改革措施。本文的研究不僅有助于豐富和完善數字電路課程的教學理論和方法體系，還為提升我國工程教育的整體水平和質量提供了有益的借鑒和參考。

1" 數字電路課程教學中的問題

1.1" 教學內容與組織的割裂導致的知識碎片化問題

數字電路課程涵蓋了邏輯代數基礎、邏輯門電路、組合邏輯電路和時序邏輯電路分析等關鍵知識點，教學組織上存在明顯問題：一方面，理論與實驗內容截然分開，理論課堂上學生主要接觸抽象的理論知識，缺乏即時的實踐驗證和應用環節，使得理論知識難以內化為解決實際問題的能力；另一方面，組合與時序邏輯電路教學割裂，雖然分別介紹了組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析和設計方法，但缺乏將它們有機融合的教學案例，削弱了學生對于兩類電路內在聯系的理解，導致學生學習知識的碎片化。

1.2" 實驗課時與內容的限制問題

數字電路課程的學時數設置為48學時，其中理論授課32學時，實驗授課16學時。受實驗課時的限制，實驗任務均為分立的組合邏輯電路模塊或時序邏輯電路模塊的驗證性實驗。這種實驗設置一方面導致學生缺乏學習興趣和積極性，只是機械地完成實驗步驟，而不去深入思考實驗背后的理論原理和意義；另一方面又缺乏整合數字電路模塊設計實現數字系統的任務，使學生難以形成對數字系統的整體認識，也無法培養其獨立思考能力和創新能力，以及解決實際工程問題的能力。

1.3" 考核方式與評價體系的局限性問題

首先，數字電路課程的考核偏重書面成績（包括20%平時成績+30%實驗報告成績+50%期末試卷成績），忽略學生在實際操作和應用能力上的過程性成長，也未能充分反映其在團隊協作、創新思維等綜合素質方面的表現。其次，考核方式單一，評價視角狹窄，難以全面評估學生的綜合能力。此外，教師通常采用統一的評價標準來評價所有學生，忽視了學生之間的個性化差異和特長。最后，反饋滯后，學生提交書面作業后，往往需要等待較長時間才能獲得反饋，影響學生的學習積極性，同時，教師也難以從書面作業中及時了解真實的教學效果，阻礙了教學內容與方法的持續改進。

2" 工程教育專業認證理念與STEM教育理念的有機融合

工程教育專業認證倡導以學生為中心、成果導向和持續改進3個核心理念，強調培養學生解決復雜工程問題的能力，已經成為高校工科發展的風向標[4]。STEM教育強調跨學科整合，通過科學、技術、工程和數學四個領域的有機結合，培養學生的創新思維、問題解決能力和實踐能力，注重實踐性和探究性，鼓勵學生通過動手實踐來理解和掌握知識[5]。可見，工程教育認證與STEM教育理念內在關聯緊密：均以學生為中心，強調實踐與創新，重視跨學科整合；均倡導項目驅動教學，培養學生解決實際問題的能力；同時，兩者都注重持續改進和質量保證，確保教育質量和學生學習成果。這些共同點為兩者在數字電路等工程教育課程中的有機融合提供了堅實的基礎。

在數字電路課程中，將工程教育認證理念與STEM教育理念有機融合，關鍵在于理念與實踐的緊密對接。首先，從理念層面出發，我們需牢固樹立“以學生為中心”的教育觀，深入理解學生需求，將STEM的跨學科整合思想深度融入課程設計。這意味著教師不僅要教授數字電路的基礎理論知識，還要通過設計具有挑戰性、實踐性的項目，讓學生在實際操作中跨越學科界限，綜合運用數學、物理、計算機科學等多學科知識，培養其創新思維和解決實際問題的能力。在實踐層面，我們需明確“成果導向”的教學目標，即設定清晰、可衡量的學習成果與能力指標。通過實施STEM項目，讓學生在解決實際數字電路問題的過程中，體驗從理論學習、設計到仿真驗證的全過程，從而檢驗學習成效。同時，建立有效的反饋機制，定期評估教學質量與學生學習成果，依據反饋結果及時調整教學策略，確保教學目標的達成與教育質量的持續提升。綜上所述，將工程教育認證理念與STEM教育理念有機融合于數字電路課程之中，須理念先行，實踐跟進，二者相輔相成，共同促進學生綜合素質的全面發展。

3" Logism軟件在數字電路教學中的優勢

3.1" 直觀易用的圖形界面與豐富的元件庫

Logisim軟件提供了一個直觀的圖形界面，用戶可以通過拖放方式輕松創建和編輯電路圖，無須復雜的編程或命令輸入，降低了學習門檻，符合STEM教育倡導的“動手實踐”理念。同時，軟件內置了包括邏輯門電路、觸發器、寄存器等在內的豐富的元件庫，支持用戶根據需求選擇合適的元件進行電路設計，滿足了數字電路教學中對多樣化元件的需求。

3.2" 精確的模擬引擎與強大的仿真功能

Logisim軟件采用精確的模擬引擎，能夠準確模擬電路的行為，幫助學生在設計過程中預測電路的性能和行為，減少實物制作中的錯誤和浪費。通過仿真功能，學生可以直觀地看到電路的運行結果，加深對數字電路工作原理的理解。這種仿真體驗與STEM教育中的“探究式學習”相契合，鼓勵學生通過觀察和實驗來發現規律。

3.3" 支持跨學科整合與項目式學習

Logisim軟件不僅限于數字邏輯電路的設計，還可以與其他學科如計算機科學、物理學等相結合，支持跨學科整合。例如，在嵌入式系統設計或通信系統設計等領域，學生可以使用Logisim軟件來設計和模擬相關電路，實現知識的綜合運用。結合STEM教育中的項目式學習方法，教師可以設計具有挑戰性的數字電路項目，讓學生在完成項目的過程中綜合運用所學知識，培養創新思維和解決問題的能力。

3.4" 便于反饋與持續改進

在數字電路教學中，教師可以通過Logisim軟件快速獲取學生的設計結果和仿真數據，從而及時給予反饋和指導。這種即時的反饋機制有助于教師了解學生的學習情況，調整教學策略，實現持續改進。結合工程教育專業認證理念中的“成果導向”原則，教師可以通過Logisim軟件中的仿真結果和電路設計來評估學生的學習成果和能力水平，為后續的教學改進提供依據[6-9]。

4" 基于STEM理念和Logism軟件的數字電路課程改革與實踐

4.1" 優化整合教學內容

STEM教育理念強調跨學科融合，為數字電路教學提供了知識整合框架。教師通過引入數學、物理、計算機科學及哲學等學科知識，豐富教學內容，構建寬廣的知識網絡，提升學生對數字電路的理解與興趣，培養其綜合實踐與創新能力。具體實施上，首先要實現跨學科融合教學。教師在講解數字電路的核心知識點時，如編碼技術、門電路以及數字系統設計等，可巧妙引入數學、物理、計算機科學等多學科的知識。例如，在探討編碼技術時，不僅解釋其基本原理和應用場景，還要進一步分析它們在數字電路中如何提高信息傳輸的效率和可靠性，加深學生對編碼技術重要性的理解。在講解門電路時，結合物理學中的PN結單向導電性、晶體管的放大作用等知識，闡述門電路的工作原理，幫助學生建立物理學與數字電路之間的聯系。在數字系統設計中，引入計算機科學中的模塊化設計思想，指導學生將復雜的數字電路系統分解為更小的、可管理的模塊，提升他們的綜合應用能力。

其次，將思政教育融入教學全過程。在介紹數字電路的發展歷史時，強調我國在這一領域的成就和貢獻，激發學生的家國情懷。同時，結合哲學常識，引導學生思考數字電路與人類社會的關系，培養他們的社會責任感和職業道德。此外，要結合Logisim軟件可視化特點構建系統的數字電路情境教學內容體系。通過設置基礎知識驗證模塊、基礎電路設計模塊和綜合項目實踐模塊，重構理論和實踐教學的比重，更加直觀、生動地展現數字電路的教學內容，幫助學生更好地理解和應用相關知識。

4.2" 豐富教學方法和手段

在工程教育認證的指導下，基于STEM理念的數字電路課程教學，需要以學生為中心，注重產出導向的教育設計。為了實現這一目標，教師需要豐富和革新教學方法和手段，以促進學生在理論學習與實踐能力上的全面發展。首先，引入Logism軟件在課程教學中開展項目式學習，結合STEM理念布置驗證類、設計類和綜合類的層次化項目任務，如驗證比較器功能、設計計數器電路和設計運動碼表系統等，打造課程“兩性一度”，讓學生在進階式情境教學過程中掌握和應用數字電路知識，提高學生的課堂參與度和學習興趣，培養學生的實踐能力和創新精神。此外，針對當代大學生“網絡原住民”的特點，綜合運用多樣化在線教學資源，建立“線上資源為基，線下互動為本，多元考核為要”的混合式教學模式。例如推送在線精品課程、通過超星課堂中心互動等學習方式，充分發揮多媒體技術的優勢，強化對學生自主學習能力的培養。同時豐富線下教學場景，依托智慧教室開展翻轉課堂、競技活動等，讓學生在課前通過自主學習掌握基礎知識，實施小組合作進行問題探討和實踐操作，展示學習成果，師生共同總結學習情況，培養學生的團隊協作能力和溝通能力，促進師生共同成長。

4.3" 設計進階式實踐環節

傳統數字電路課程理實分離、偏重驗證性實驗，這與工程認證和STEM理念強調的實踐和創新能力培養相悖。為提升學生的綜合素質，基于Logism軟件可實時動態觀測輸入數據對輸出結果影響的特性，融合理論與實踐課程教學案例，設計進階式實踐項目，讓學生課堂中運用Logism軟件邊學習理論知識邊進行實踐設計。借助Logism軟件的數字電路課程教學共包含6個進階式實驗，如圖1所示。其中，5個為低階性的個人項目，1個為高階性的綜合性團隊項目，項目難度由淺入深進階，特別是綜合性項目的主要功能所對應的知識點層層遞進。課程內容以這些層次性知識點為主線，重構了理論與實踐有機融合的教學內容體系。通過項目設計和制作，學生可以將課程知識點串起來，從而有效解決了課程知識碎片化問題，培養了學生綜合運用知識的能力；通過工程項目設計和制作，增強了學生的工程應用能力和團隊協作能力。

4.4" 建立多元化評估體系

結合工程認證要求和STEM理念，建立以“學生為中心，產出為導向，持續改進的”多元化考核體系，以更全面客觀地評價學生的能力水平。具體的教學評估由三部分構成，如圖2所示。線上完成預習、討論、單元測試、作業等，記入最終考核的20%；線下完成互動、實驗項目等，記入最終考核的30%；期末考試記入最終成績的50%。其中，線上討論和線下課程實踐環節考核部分，引入同行評價和自我評價機制，讓學生相互評價彼此的作品和表現；同時可以讓學生進行自我評價，反思自己的學習過程和成果。通過同行評價和自我評價機制可以讓學生更客觀地認識自己的優點和不足之處，明確自己的學習目標和方向；同時也可以促進學生之間的相互學習和交流借鑒，共同提高學習效果和能力水平。再者，課程實踐環節考核可采用報告、答辯、演示等多種形式的評價方式，以更全面地評價學生的理論知識掌握和應用能力、實踐操作能力、創新能力和團隊合作精神等多方面的能力水平。

5" 結論

在新工科建設和工程教育認證背景下，通過融入STEM教育理念和利用Logisim軟件對數字電路課程進行教學改革與實踐，不僅能夠解決傳統教學中存在的問題，如理論與實踐分離、實驗內容單一以及考核方式片面等，還能夠更好地適應工程教育認證的要求，培養學生的創新思維、實踐能力和解決復雜工程問題的能力。實踐證明，這種改革不僅可以豐富數字電路課程的教學理論和方法體系，還為提升我國工程教育的整體水平和質量提供了有益的借鑒和參考。

基金項目：南京曉莊學院2024年校級教育教學研究與改革項目。

參考文獻

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