項(xiàng)目牽引的5E教學(xué)法在數(shù)字電子技術(shù)課程中的改革與實(shí)踐

摘""要：數(shù)字電子技術(shù)課程作為電子信息類專業(yè)的基礎(chǔ)，注重理論與實(shí)踐結(jié)合，本文采用項(xiàng)目牽引和5E教學(xué)模式，以編碼器課堂為例，通過項(xiàng)目工程實(shí)例的引入，加深學(xué)生對(duì)編碼器的理解和認(rèn)識(shí)。5E教學(xué)模式以學(xué)生為中心，促進(jìn)探索、實(shí)踐和創(chuàng)新，在提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性的前提下，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力、溝通能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，為學(xué)生未來在電子專業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，改革教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制，強(qiáng)調(diào)過程性和實(shí)踐性，引入數(shù)字化評(píng)價(jià)模式，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化和智能化評(píng)價(jià)。課程創(chuàng)新體現(xiàn)“新工科”建設(shè)的要求和內(nèi)涵，將數(shù)字化融入課堂，有效提升學(xué)生工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子技術(shù)；項(xiàng)目牽引；5E教學(xué)模式；教學(xué)評(píng)價(jià)

2017年2月，教育部在復(fù)旦大學(xué)組織召開高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)，首次提出新工科的內(nèi)涵特征和建設(shè)路徑。經(jīng)過幾年的發(fā)展，兩批國(guó)家層面的新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目共計(jì)1457項(xiàng)。作為應(yīng)用型本科院校，全面推進(jìn)新工科組織模式創(chuàng)新、理論研究創(chuàng)新、內(nèi)容方式創(chuàng)新和實(shí)踐體系創(chuàng)新勢(shì)在必行[1-3]。

“數(shù)字電子技術(shù)”是面向電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)二年級(jí)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)核心課程，它的先修課程有“電路分析”和“模擬電子技術(shù)”，同時(shí)“數(shù)字電子技術(shù)”是“單片機(jī)原理”“微機(jī)原理與接口技術(shù)”以及“集成電路”等專業(yè)核心課程的基礎(chǔ)。因此“數(shù)字電子技術(shù)”是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)非常重要的一門核心課程。“數(shù)字電子技術(shù)”課程有自身獨(dú)特的課程特點(diǎn)：第一，該課程對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)要求不高。本課程具有自身完整的理論體系，運(yùn)用的是邏輯代數(shù)的思維方式，在本門課中。所以學(xué)生如果先修課程學(xué)的好，那么對(duì)本課程的理解會(huì)更深；如果先修課程掌握的不太好，也不影響本課程的學(xué)習(xí)。第二，本課程理論較簡(jiǎn)單，實(shí)踐性卻很強(qiáng)。本課程重點(diǎn)分析中規(guī)模邏輯器件輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的邏輯關(guān)系，基礎(chǔ)的只有“與運(yùn)算、或運(yùn)算、非運(yùn)算”三中邏輯關(guān)系，因此理論學(xué)習(xí)較為簡(jiǎn)單。該課程重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生基本的電子電路設(shè)計(jì)開發(fā)能力，因此對(duì)學(xué)生電路的分析設(shè)計(jì)能力要求更高，實(shí)踐性更強(qiáng)。基于該課程的重要性和課程特點(diǎn)，以“數(shù)字電子技術(shù)”課程為切入點(diǎn)，開展新工科背景下教學(xué)創(chuàng)新改革和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力是一個(gè)很好的選擇。

1"課程創(chuàng)新的背景

數(shù)字電子技術(shù)課程是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，在大學(xué)二年級(jí)開設(shè)，整門課程從二進(jìn)制代碼學(xué)起，重點(diǎn)是常見的中規(guī)模集成電路。課程體系完整，邏輯清楚，內(nèi)容既具體又抽象。“具體”體現(xiàn)在每一個(gè)中規(guī)模集成電路其功能結(jié)構(gòu)都很具體，而在電路中或者實(shí)際電子系統(tǒng)中怎么使用，在學(xué)生的知識(shí)體系中又是抽象的。在教學(xué)過程中，存在的以下一些問題。

1.1理論落地不踏實(shí)

數(shù)字電子技術(shù)課程作為電子科學(xué)技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，它既有很強(qiáng)的基礎(chǔ)性又有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性。例如編碼器，它的概念很簡(jiǎn)單，就是將具有特定意義的信息編成相應(yīng)二進(jìn)制代碼的電路。該定義很抽象，不懂的學(xué)生仍然不知道怎樣使用？理論與實(shí)踐存在脫節(jié)現(xiàn)象，使得學(xué)生在實(shí)踐過程存在問題[4]。

1.2"內(nèi)容邏輯不緊湊

數(shù)字電子技術(shù)課程內(nèi)容[5]，第一章介紹數(shù)制和碼制，第二章是邏輯代數(shù)基礎(chǔ)，第三章基本門電路，這三部分都是數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，為后續(xù)的中規(guī)模集成邏輯電路做鋪墊，隨后重點(diǎn)學(xué)習(xí)各種常見的中規(guī)模集成電路。不緊湊的邏輯體系使得學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情隨著課程的推進(jìn)而逐漸減退。數(shù)字電子技術(shù)課程的這種特點(diǎn)需要進(jìn)行新的教學(xué)重構(gòu)并采用合適的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)[6]。

1.3"評(píng)價(jià)體系太單一

現(xiàn)有的考核方式一般分為期末考試和平時(shí)成績(jī)兩部分。平時(shí)成績(jī)的設(shè)置反映的主要是學(xué)生對(duì)課程基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，不能突出反映學(xué)生的“軟實(shí)力”。對(duì)數(shù)字電子技術(shù)這類工科實(shí)踐性強(qiáng)的課程，更應(yīng)該引入工程實(shí)踐、科學(xué)素養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)合作、溝通能力等內(nèi)容的培養(yǎng)。

2"課程創(chuàng)新的實(shí)施

從2019年國(guó)家啟動(dòng)“四新”建設(shè)項(xiàng)目開始，新工科的建設(shè)從轟轟烈烈的開始，走上了扎扎實(shí)實(shí)的改革。數(shù)字電子技術(shù)課程是高校電氣、計(jì)算機(jī)和機(jī)械相關(guān)專業(yè)都開設(shè)的一門電子類基礎(chǔ)課程，本課程基礎(chǔ)理論較為簡(jiǎn)單，用以初步培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐思維能力，而要進(jìn)行完整的項(xiàng)目設(shè)計(jì)對(duì)本科生來說有一定的挑戰(zhàn)。基于本課程的課程特點(diǎn)和學(xué)生學(xué)情，本課程擬采用項(xiàng)目牽引的5E教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，堅(jiān)持以學(xué)生為中心，能力培養(yǎng)為主導(dǎo)，形成適合廣泛推廣的教學(xué)模式[8]。

以數(shù)字電子技術(shù)課程的重點(diǎn)內(nèi)容組合邏輯電路、集成觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路為例，采用子彈分裝系統(tǒng)項(xiàng)目進(jìn)行整合，如圖1所示。該項(xiàng)目中紅色框中的編碼器、譯碼器、比較器等等都是基本的組合邏輯電路，綠色框中的寄存器是觸發(fā)器的內(nèi)容，計(jì)數(shù)器又是第六章時(shí)序邏輯電路的重點(diǎn)內(nèi)容。通過該項(xiàng)目直接將本課程最重要的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了整合，學(xué)生對(duì)每個(gè)器件在電路中的功能和使用有了最直接的認(rèn)識(shí)，既解決了理論不落地的問題，同時(shí)也將這三部分中最重要的邏輯器件都聯(lián)系起來，使內(nèi)容更緊湊，理論與實(shí)踐更好結(jié)合。

下面基于5E教學(xué)法，以第四章組合邏輯電路中第三節(jié)編碼器為例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，展示課程實(shí)施流程，如圖2所示。

2.1"課前

課前一天通過學(xué)習(xí)通平臺(tái)給學(xué)生發(fā)送組合邏輯電路設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)視頻和相關(guān)測(cè)試題，學(xué)生需在上課前完成，如果測(cè)試題的正確率不高，則會(huì)在課中進(jìn)行簡(jiǎn)單講解。本流程的目的是幫助學(xué)生復(fù)習(xí)舊知識(shí)，為本節(jié)課的應(yīng)用打基礎(chǔ)。

2.2"課中

課程的實(shí)施采用5E教學(xué)模式，分別是參與（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、拓展（Elaborate）和評(píng)價(jià)（Evaluate）。

參與（Engage）：教師簡(jiǎn)單介紹子彈分裝系統(tǒng)項(xiàng)目（該項(xiàng)目在第四章第一節(jié)課進(jìn)行過詳細(xì)介紹和項(xiàng)目分解），重點(diǎn)分析編碼器的功能。電腦鍵盤中輸入的數(shù)字是十進(jìn)制數(shù)，系統(tǒng)處理的是二進(jìn)制碼，因此編碼器需要將輸入的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為電路識(shí)別的二進(jìn)制代碼。這部分的目的是引起學(xué)生興趣，并給出編碼器的含義。

教師給學(xué)生出設(shè)計(jì)的題目：請(qǐng)學(xué)生運(yùn)用組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)一個(gè)編碼器，它需要實(shí)現(xiàn)的功能是將輸入的I0、I1、I2…I7八個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制代碼。

通過雨課堂給學(xué)生發(fā)送題目：該編碼器的設(shè)計(jì)需要幾個(gè)輸入端幾個(gè)輸出端？該題目的設(shè)計(jì)既給學(xué)生留下思考的過程，也給學(xué)生“搭個(gè)梯子”，提示學(xué)生題目怎么入手。

探究（Explore）：學(xué)生自己思考設(shè)計(jì)題目，小組討論完善自己的設(shè)計(jì)方案，互相比較方案的優(yōu)缺點(diǎn)。這一部分是課堂的重點(diǎn)，在這里給學(xué)生留下足夠的時(shí)間進(jìn)行探索，遇到問題盡量讓學(xué)生自己解決，教師作為旁觀者觀察學(xué)生在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題和閃光點(diǎn)。

解釋（Explain）：通過觀察選出有代表性的兩個(gè)小組進(jìn)行課堂匯報(bào)。教師總結(jié)編碼器的定義、設(shè)計(jì)的步驟，并講授編碼器的分類和其它類型編碼器的功能。發(fā)送測(cè)試題，反饋學(xué)生的掌握情況。

拓展（Elaborate）：學(xué)生以小組設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的4路搶答器，并用Multisim進(jìn)行仿真，提交學(xué)習(xí)通。

題目：某醫(yī)院有一、二、三、四號(hào)病室4間，每室設(shè)有呼叫按鈕，同時(shí)在護(hù)士值班室內(nèi)對(duì)應(yīng)地裝有一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)4個(gè)指示燈。要求當(dāng)一號(hào)病室的按鈕按下時(shí)，無論其他病室的按鈕是否按下，只有一號(hào)燈亮。當(dāng)一號(hào)病室的按鈕沒有按下而二號(hào)病室的按鈕按下時(shí)，無論三、四號(hào)病室的按鈕是否按下，只有二號(hào)燈亮。當(dāng)一、二號(hào)病室的按鈕都未按下而三號(hào)病室的按鈕按下時(shí)，無論四號(hào)病室的按鈕是否按下，只有三號(hào)燈亮。只有在一、二、三號(hào)病室的按鈕均未按下而按下四號(hào)病室的按鈕時(shí)，四號(hào)燈才亮。試用優(yōu)先編碼器74HC148和門電路設(shè)計(jì)滿足上述控制要求的邏輯電路，給出控制四個(gè)指示燈狀態(tài)的高、低電平信號(hào)。

2.3"課后

學(xué)生以小組設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的4路搶答器，并用Multisim進(jìn)行仿真，提交學(xué)習(xí)通，教師評(píng)分。

評(píng)價(jià)（Evaluate）：將課堂表現(xiàn)、課堂筆記以及學(xué)習(xí)通作業(yè)成績(jī)綜合，構(gòu)成本節(jié)課每個(gè)學(xué)生的過程性評(píng)價(jià)得分，分析成績(jī)數(shù)據(jù)，總結(jié)學(xué)生對(duì)本節(jié)課的掌握程度、學(xué)生學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的問題和教學(xué)過程需要改進(jìn)的地方。

在第四、五和六章中，每個(gè)器件的學(xué)習(xí)都是基于子彈分裝項(xiàng)目的牽引，因此學(xué)生對(duì)每個(gè)邏輯器件的功能會(huì)反復(fù)理解，并且是放在具體電路中進(jìn)行理解，相比直接的死記硬背，器件的每次出現(xiàn)，都會(huì)加深學(xué)生的理解深度，不會(huì)出現(xiàn)前面學(xué)后面忘的情況，解決了數(shù)字電子技術(shù)課程邏輯不緊湊的問題。

3"課程考核方式的改革

理論課程成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)共同構(gòu)成，平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)30%，期末考試成績(jī)占70%。為了凸顯課程的實(shí)踐性并激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，本課程對(duì)平時(shí)成績(jī)的考核方式進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，具體細(xì)項(xiàng)如上表所示。平時(shí)成績(jī)的構(gòu)成涵蓋了三大核心內(nèi)容：平時(shí)作業(yè)、課堂筆記與課堂表現(xiàn)。平時(shí)作業(yè)旨在鞏固和拓展課堂所學(xué)知識(shí)；課堂筆記作為課堂內(nèi)容的補(bǔ)充與延伸；課堂表現(xiàn)則側(cè)重于觀察學(xué)生在課堂上的知識(shí)接受程度，并及時(shí)獲得反饋與評(píng)價(jià)。這一考核方式看似復(fù)雜，實(shí)則條理清晰。借助學(xué)習(xí)通和雨課堂等現(xiàn)代教學(xué)工具，我們能夠自動(dòng)統(tǒng)計(jì)學(xué)生的成績(jī)并進(jìn)行初步分析，大大提高了工作效率。

總結(jié)

數(shù)字電子技術(shù)課程作為電子信息類專業(yè)的基石，不僅承載著深厚的理論基礎(chǔ)，更突顯其實(shí)踐性的重要性。為了切實(shí)提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，本課程巧妙采用項(xiàng)目牽引的教學(xué)方法，確保理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合。課程實(shí)施過程中，本文引入了先進(jìn)的5E教學(xué)模式，為教學(xué)設(shè)計(jì)注入了新的活力。以“編碼器”課堂為例，展示了課堂教學(xué)的精彩全貌。通過子彈分裝系統(tǒng)這一實(shí)際項(xiàng)目的牽引，學(xué)生們得以深入體驗(yàn)工程實(shí)踐的魅力，從而有效培養(yǎng)他們的工程實(shí)踐素養(yǎng)。這種教學(xué)模式不僅讓學(xué)生們?cè)趯?shí)踐中深化理論知識(shí)，更讓他們學(xué)會(huì)了如何將知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力。5E教學(xué)模式的探索，是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式的一次革新。它充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，讓學(xué)生在探索、體驗(yàn)、創(chuàng)新的過程中不斷成長(zhǎng)。最后，數(shù)字化評(píng)價(jià)模式的引入，既提高了評(píng)價(jià)的效率和準(zhǔn)確性，又降低了教師的工作量，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)評(píng)價(jià)的現(xiàn)代化和智能化。綜上所述，數(shù)字電子技術(shù)課程通過項(xiàng)目牽引和5E教學(xué)模式的探索，以及教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制的改革，不僅提升了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，更體現(xiàn)了現(xiàn)代教育的創(chuàng)新精神和人文關(guān)懷。

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基金項(xiàng)目：山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目（J20231210）；山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃青年項(xiàng)目"（202303021212268）

作者簡(jiǎn)介："侯麗鵬（1989—"），"女，漢族，山西長(zhǎng)治人，博士，講師，主要從事電子專業(yè)方向教學(xué)研究和凝聚態(tài)物理納米光子學(xué)研究。