“数字电路与逻辑设计”课程立体化教学改革研究

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[摘 要]针对“数字电路与逻辑设计”的课程教学方式较为单一，理论与实践脱节，学生学习积极性不高等问题，可以借鉴先进的CDIO工程教育理念，从课程教学资源建设、教学方法和课程考核方式改革等几个方面论述了对课程进行立体化教学改革的具体措施，以提高学生学习的积极性和主动性，改善教学效果，探索培养具有现代创新思维卓越工程人才的立体化教学模式。

[关键词]数字电路 逻辑设计 CDIO 教学方法

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）03-0132-02

“数字电路与逻辑设计”是电子电气信息类等专业电子技术方面入门性质的专业基础必修课程，服务于电气自动化、电子科学与技术、电子信息与智能检测、通信与信息系统等学科，是一门重要的技术基础课，对实现应用型人才培养目标具有承上启下的关键作用。然而目前该课程教学模式与信息专业快速发展的要求相脱节；课程教学内容偏重理论分析，教学方式较为单一，以课堂讲授为主。部分学生感到本课程学习内容枯燥无味，接受知识被动。很多学生仅仅把应付考试而不是应用知识作为课程学习的目标，结果导致即使考试成绩不错，许多学生对数字系统的构成、设计、生产等流程依然不甚了解，无法做到学以致用，限制了课程对学术专业素质培养的关键作用的发挥。

针对这一现状，本文借鉴国外先进的CDIO工程教育理念，遵循“首要教学原理”，提出“数字电路与逻辑设计”立体化教学改革方案：通过设定工程化培养目标、教学内容的体系层次化建设、改进教学方法和手段、改革考核方式等措施，提高学生自主性和独立性，培养学生创新思维，探索培养具有现代创新思维卓越工程人才的立体化教学模式。

一、立体化课程教学资源建设

（一）课程教学内容的体系化、层次化建设

“数字电路与逻辑设计”的知识点很多，学生在初学时往往难以抓住课程思路主线，容易失去学习的动力和积极性，因此要特别重视教学内容的体系化。

对于理论教学内容，可以通过设计“脉络图”或“层次结构图”的形式把课程的主要内容及其应用、发展形象的表示出来。在每章节内容学习之前都要强调所学内容在整个课程体系的位置，从而使学生深入理解数字电子技术的发展历程、知识构成体系和各种有价值的应用，从而调动学生的学习兴趣，提高学习的积极性。

其次，根据学科发展，对课程的内容不断进行更新和优化设计，建立由简单到复杂、由基础到综合的循序渐进的教学内容体系，从而让学生逐步理解和掌握课程的内容体系。

（二）多维立体化课程教学平台建设

除了基本的课程教学内容建设外，还应该充分利用各种网络技术和现代教育技术手段建设多维度立体化的课程教学平台，依托教学平台进一步提高课程的教学效果。

课程的立体化教学平台的建设，应体现以学生为本的指导思想，将教材、教案、多媒体课件、教学录像、试验指导、试题和试卷库等各种形式的教学资源进行优化组合，以提供多维度开放性的教学环境。学生可以通过平台进行教学内容的预习，并可下载教学内容和相关资料，作业可以通过平台提交，教师可以进行在线作业批改、成绩统计，为学生的课外学习提供了很好的网络课堂，从而使课堂在时间和空间上得到有效拓展。

二、立体化课程实验体系建设

（一）构建“基础实验”、“大型实验”和“综合型实验”三个层次的实验教学内容

基础层次的教学包括电路基础实验和模拟电子基础实验内容，目的是培养学生的基本实验技能，及其基本分析和解决问题的能力，采取分组的实验方法，保证每个学生都有机会实际操作，动手练习；大型实验层次主要是模电大型实验，教学目的是培养学生独立分析、处理问题的能力，鼓励创新思维，促进知识更新，让学生在系统分析、设计与应用上有所提高，采取的教学方法是由学生在规定范围内自主选题，在实验室自主完成，一人一组；综合提高型层次开设的是电子系统设计与实践实验，教学目的是让学生综合运用前面各实验层次所学到的专业知识和工程技能，面对较大规模的电子系统进行设计分析，培养学生自主学习、创新、系统分析、设计与应用的能力，此层次的实验教学结合电子设计竞赛等课外科技活动进行，采取的教学方法是在指导教师的辅导下，在开放式的实验环境中，经过需求分析、资料查询、方案论证、设计调试、测试分析等过程，最后完成课题。

（二）实验教学内容的动态更新和优化

根据学科发展，对实验教学内容不断进行更新和优化设计：设计一些跨课程的实验项目，建立由简单到复杂、由基础到综合的循序渐进的实验教学内容体系，从而逐步培养学生动手实践能力和创新精神。如：在基础层次的数电实验环节可以进行计数器、数字钟等基于MSI的验证和设计性实验，在数电大型实验中可以让学生进行基于VHDL的QuatusII数字钟设计，并下载于FPGA芯片，使学生对SOC有最基本的认识，在综合提高型实验中又可以让学生用单片机系统完成同样的设计。

三、基于CDIO理论的教学方法改革

CDIO工程教育理念是麻省理工学院和瑞典皇家学院等四所大学工程教育改革的成果。CDIO分别代表构思 （Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）。CDIO理念倡导工程教育从科学向工程回归，以工程和生产设计环节为核心，让学生主动地、实践地学习。“首要教学原理”是当代美国著名教授Merrill博士提出的教学理论，认为学习者只有处于五项情境之中，才能促进学习。CDIO理念与“首要教学原理”相辅相成。在教学方法上面，主要从以下几个方面入手进行改革。

（一）建立新型的多层立体授课体系

根据CDIO能力培养大纲，“数字电路与逻辑设计”课程的教学体系可以设计为课堂教学、试验教学和创新应用的层次结构，如图1所示。

按照图1所示的课程授课体系，通过在课堂教学、试验教学和创新应用三个不同层次上的教学和实践，能够在让学生充分掌握理解所学知识的基础上，达到培养学生的创新精神、实践能力、自学能力、综合能力、团队合作精神的课程教学目标。

（二）遵循CDIO理念，增加教学的引导性、开放性和前瞻性

CDIO理念倡导以应用环节为核心，让学生主动实践地学习。教学的引导性就是课堂教学以应用中的问题为起点，引导学术思考，组织教学内容。开放性指的是针对问题，采用启发式教学，让学生列举和搜索多元化解决方案，不拘泥于教材示例。前瞻性是指通过教师展示数字技术新的思想、最新的科研成果，让学生思考技术的发展趋势和未来的核心技术。

四、课程考核方式改革

CDIO模式是能力本位的培养模式，与知识本位的培养模式是有本质区别的。CDIO标准要求采用有效的方法来衡量学生的基本个人能力和人际合作能力、产品和系统构建能力以及学科专业知识。在对课程内容进行优化整合以后，建立了新的教学评价体系，细化了课程考核方法，加大了平时考核力度，将一次考核变为全程考核，并且在开学之初就向学生公布课程考核办法，使学生在学习的过程中有明确的努力方向。课程的考核成绩包括：课堂回答问题的情况、作业完成的质量、实验项目完成的质量、期末试卷得分情况，同时对于一些在实验项目中有突出表现的团队和个人给予加分。

五、总结

本文针对现有“数字电路与逻辑设计”课程教学过程中存在的种种问题，借鉴CDIO工程教育理念，从课程教学资源建设、教学方法和课程考核方式改革等几个方面论述了如何对课程进行立体化教学改革的具体措施。笔者所研究立体化教学改革不是某个教学环节的独立改变，而是教学内容、教学手段、教学方法和考核方式等整个教学过程的立体化变革。以先进的教学理论引导课程教学改革，必将激发学生学习的兴趣与热情，消除学生对学习的乏味感和知难感，使其主动、积极地投入课程的学习和实践中去，从而提高教学效果，为专业基础课程的教学探索出一种新模式，实用性强，具有重要推广价值。

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