王 楊，李正潔，李元金

（滁州學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

應(yīng)用型本科院?！皵?shù)字電路”課程教學(xué)改革探索與實踐

王 楊，李正潔，李元金

（滁州學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

針對目前應(yīng)用型本科院校數(shù)字電路課程在理論和實驗教學(xué)過程中遇到的問題為背景，介紹本校計算機與信息工程學(xué)院數(shù)字電路課程教學(xué)的改革方案，在理論教學(xué)中，以問題為導(dǎo)向，理論和實踐相結(jié)合并引入現(xiàn)代教學(xué)手段，通過以“競賽任務(wù)驅(qū)動”方式提高理論教學(xué)的質(zhì)量，在實驗教學(xué)中以建立“課堂教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)平臺自主學(xué)習、實踐教學(xué)”三位一體教學(xué)體系來完成，經(jīng)過兩學(xué)期的教學(xué)實踐，取得了較好的教學(xué)效果.

數(shù)字電路；教學(xué)手段；競賽驅(qū)動；三位一體

1 引言

作為高校電子信息、自動化、通信工程以及計算機專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，《數(shù)字電路》課程涉及到先修課《電路分析》、《邏輯代數(shù)》中的理論內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上進行拓展，同時為后續(xù)學(xué)習《單片機原理》、《計算機組成原理》、《嵌入式系統(tǒng)》等課程打下堅實的基礎(chǔ)，本課程內(nèi)容主要有邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路、脈沖產(chǎn)生與整形電路以及A/D，D/A轉(zhuǎn)換電路，通過該課程的學(xué)習，在掌握基本原理的基礎(chǔ)上，學(xué)會對硬件電路進行設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、增強學(xué)生運用所學(xué)的理論知識設(shè)計數(shù)字電路的能力，使學(xué)生具備一定的工程實踐能力，因此該課程對學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)具有重要的作用和意義，但目前這門課程的常規(guī)教學(xué)方法已不能適應(yīng)課程的發(fā)展需要，本文從課程教學(xué)改革的角度闡述改革的實踐過程以及取得的成效.

2 理論課教學(xué)模式與方法改革

2.1 課程現(xiàn)狀

伴隨著數(shù)字電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，理論課程的內(nèi)容需要實時更新，并貼近實踐的需要，原有的課程授課方式側(cè)重于灌輸理論知識，淡化了對動手實踐的要求，與當今社會對人才的需求脫節(jié)，同時教學(xué)方式以多媒體課件為主，輔助以黑板板書的形式進行，此種教學(xué)方法和手段很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣和熱情，學(xué)生覺得理論內(nèi)容枯燥乏味，課下很難主動去學(xué)習本課程，無法較好的掌握課程內(nèi)容，不能滿足我校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)要求.

2.1.1 問題導(dǎo)向

針對《數(shù)字電路》課程理論性強的特點，采取以問題為導(dǎo)向的理論教學(xué).具體來說在介紹每部分內(nèi)容之前，結(jié)合日常生活中跟數(shù)字電路課程相關(guān)的例子來引入問題，比如在介紹組合邏輯電路可以先引入十字路口的交通燈報修電路來說明組合邏輯電路的類型，學(xué)生帶著問題學(xué)習理論知識，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習積極性，從而提高教學(xué)效果和學(xué)生聽課的質(zhì)量.

2.1.2 基于理論和實踐相結(jié)合的方式

理論結(jié)合實踐的教學(xué)方式在早期的授課過程中得不到重視，造成學(xué)生動手能力偏弱，學(xué)生在遇到實際的電路設(shè)計問題時無從下手，因此在對理論知識點的講解授課過程中，穿插著一些數(shù)字電路設(shè)計案例去闡述，或者以引導(dǎo)法貫穿于理論課授課過程中，以提出的問題去引導(dǎo)學(xué)生思考并最終找到解決問題的方法，譬如在時序邏輯電路的章節(jié)講解中，可以先引入交通燈管理器的案例，以該實例貫穿整個章節(jié)，學(xué)生可能剛開始無法完全聽懂這個案例的設(shè)計過程，但通過這個典型的案例，對這一章節(jié)所要用的知識有個感性的認知，從一定程度上提高了學(xué)習興趣和積極性.

本人在教學(xué)過程中積極探究和嘗試新方法，對于理論結(jié)合實踐的教學(xué)方法，設(shè)計一些難易度適中，覆蓋知識面廣的數(shù)字電路案例應(yīng)用于課堂教學(xué)中，此外，課程內(nèi)容知識點繁雜，同時課時有限，無法在有限的課堂時間中向?qū)W生傳授更多的新知識和新技術(shù)，為了彌補這一缺憾，考慮到Internet技術(shù)的便捷性，本人在學(xué)校的BB以及泛雅平臺上建立該課程的學(xué)習網(wǎng)站，并將授課的PPT課件、課后的習題和實踐項目等學(xué)習資源上傳其中，并根據(jù)應(yīng)用型本科院校的學(xué)生特點實時更新，讓學(xué)生不受時間和空間的制約，方便學(xué)生課下根據(jù)自身掌握情況去自主學(xué)習，解決了課時少與課程內(nèi)容多的矛盾，傳統(tǒng)教學(xué)方式主要是教師講授，本人在授課過程中選擇適當內(nèi)容安排翻轉(zhuǎn)課堂，讓學(xué)生被動學(xué)習為主動學(xué)習，實踐證明很大程度上提高學(xué)生學(xué)習的效率.

伴隨著數(shù)字電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，理論課程的內(nèi)容需要實時更新、補充，在傳統(tǒng)的授課方法中利用有限的教學(xué)課時想達到更高的層次很難做到，同時該課程的電路圖很多，傳統(tǒng)的將這些電路圖在黑板上一一的畫出來，有很大的困難，因此在目前的授課過程中，利用繪圖軟件multisim10.0、VHDL、Quartus9.0等現(xiàn)代化教學(xué)手段，將復(fù)雜的圖表直觀、形象地展示出來，如溫度控制報警電路下圖1所示，該方式不僅利于教師的講授和學(xué)生的理解，同時極大的增加了課堂知識的信息量.

圖1 溫度控制報警電路

2.1.4 以“競賽任務(wù)”驅(qū)動理論教學(xué)

每年安徽省大學(xué)生競賽項目中，安徽省機器人大賽、安徽省大學(xué)生單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技能競賽以及安徽省大學(xué)生電子設(shè)計大賽等賽事，學(xué)生在備賽過程中，設(shè)計相關(guān)電路時都會用到數(shù)字電路理論知識，本人在教改授課的過程中，會將近幾年參賽的題目中涉及到的數(shù)字電路模塊根據(jù)授課內(nèi)容的進度，在課堂上帶著學(xué)生分析怎么去完成電路設(shè)計，讓學(xué)生加強用課本上理論知識去解決實際問題的能力，從而進一步加深對抽象的理論知識點的理解，增強能學(xué)好這門課的信心，同時激發(fā)學(xué)生參加相關(guān)賽事的積極性.

3 實驗課教學(xué)模式與方法改革

《數(shù)字電路》實驗課作為理論課的補充，主要讓學(xué)生把理論課所學(xué)的內(nèi)容通過完成實驗項目的形式消化掌握，傳統(tǒng)實驗課教學(xué)模式主要是設(shè)置幾個實驗項目，上課前幾分鐘由老師作簡要介紹，由學(xué)生獨立完成，老師檢查實驗項目完成情況，對學(xué)生進行評分；本人在日常實驗課教學(xué)中對傳統(tǒng)實驗課模式進行了改革，主要特色如下：

3.1 建立“課堂教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)平臺自主學(xué)習、實踐教學(xué)”的三位一體教學(xué)體系

本課程實驗課時有16學(xué)時的，因此在課堂上需要理論和實踐相結(jié)合的教學(xué)模式，對于課程的實驗項目相關(guān)內(nèi)容采取教師在課堂上布置任務(wù)，梳理實驗項目用到的理論知識點，課前學(xué)生預(yù)習實驗內(nèi)容，課上由學(xué)生分組和單人完成實驗項目，另外教學(xué)網(wǎng)站上有本課程的教學(xué)資源，電子教案以及相關(guān)教學(xué)名師講課視頻內(nèi)容豐富、生動形象，學(xué)生可以課下進行自主學(xué)習，彌補課堂時間不足的缺陷.“課堂教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)平臺自主學(xué)習、實踐教學(xué)”的三位一體教學(xué)體系從教學(xué)各個環(huán)節(jié)保證了教學(xué)目標的實現(xiàn).

3.2 創(chuàng)新實驗?zāi)Ｊ?，提高學(xué)生的電路設(shè)計能力

本節(jié)通過仿真實驗評估算法的定位性能.仿真實驗場景設(shè)計如下：2維場景中有4個外輻射源，5個接收站，其位置如表1所示.雙基地距離的測量誤差設(shè)置為服從零均值的高斯分布，其協(xié)方差矩陣為Q=σ2R，其中矩陣R的主對角線上元素為1，其余為0.5.算法的定位誤差為3000次蒙特卡洛仿真的均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)和偏差(Bias)，其定義如下：

鑒于數(shù)字電路課程的應(yīng)用性強的特點，必須對數(shù)字電路實驗?zāi)Ｊ竭M行創(chuàng)新，在實驗實踐教學(xué)過程中，實驗?zāi)Ｊ接苫静僮鲗嵺`和自主創(chuàng)新設(shè)計兩部分組成，在基本操作實踐部分，主要使用學(xué)院實驗室購置的TD-DS+高級數(shù)字電路教學(xué)實驗箱，該實驗箱模塊種類齊全，可以完成絕大部分數(shù)字電路實驗項目，充分使用該實驗箱是為了讓學(xué)生將所學(xué)的理論知識進行驗證，比如組合邏輯電路和時序邏輯電路的驗證，該方式摒棄了傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗多以軟件繪圖仿真運行得出結(jié)果的方式，創(chuàng)新了實驗?zāi)Ｊ?，實驗效果得到顯著的提升，此外，學(xué)生在使用實驗箱上的硬件模塊做實驗的過程中，學(xué)生能對電子元器件有更直觀的認識，避免出現(xiàn)了解理論知識，卻不識電子元器件這種紙上談兵的現(xiàn)象，真正將書本上的理論知識跟硬件實物相結(jié)合，在自主創(chuàng)新設(shè)計部分，將目前流行的Multisim10.0和EDA軟件引入到硬件中來，讓學(xué)生利用軟件對所設(shè)計的數(shù)字電路原理圖進行繪制、分析以及最后的調(diào)試，在調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，最后完成電路實物的焊接成型，使學(xué)生通過動手實踐，分階段來掌握整個數(shù)字電路設(shè)計實踐的整個流程，最終能獨立完成綜合性實踐項目設(shè)計，提高學(xué)生的電路設(shè)計能力，最重要是讓學(xué)生通過電路實物的成型形成濃厚的學(xué)習興趣，挖掘出學(xué)生的創(chuàng)新潛能.

3.3 改革數(shù)字電路課程設(shè)計教學(xué)模式

原來的課程設(shè)計教學(xué)模式是由學(xué)生分組，幾個人一組來完成一個題目，造成抄襲現(xiàn)象嚴重，只有小部分學(xué)生是獨立完成課程設(shè)計內(nèi)容的，沒有達到利用課程設(shè)計來提高學(xué)生數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計以及分析、解決電路實際問題的能力，同時課程設(shè)計主要用軟件仿真完成，只體現(xiàn)出軟件的一面，硬件的一面沒有體現(xiàn)出來，學(xué)生對自己設(shè)計的數(shù)字電路具體實物沒有直觀感受，主要改革的內(nèi)容是，由任課老師提供幾十個參考題目，讓每個學(xué)生根據(jù)自己的實際情況和興趣自主選題，學(xué)生也可自擬題目，但題目必須經(jīng)過老師審核通過后才可使用，每位學(xué)生完成一個題目，避免抄襲現(xiàn)象的出現(xiàn)，學(xué)生在設(shè)計過程中，需要完成軟件程序設(shè)計，編譯、下載和硬件電路的設(shè)計、調(diào)試，通過Protel99SE軟件完成電路板的設(shè)計，得到可行的電路實物，最后每位學(xué)生對自己完成的題目內(nèi)容進行答辯，答辯內(nèi)容包括方案的選定，所用到的基本原理，技術(shù)指標，并認真完成課程設(shè)計報告的撰寫.

3.4 在實踐動手能力培養(yǎng)過程中提高學(xué)生創(chuàng)新意識和應(yīng)用能力

學(xué)生只有在充分掌握相關(guān)理論知識并能應(yīng)用于實踐項目中，才能對該課程有較好的掌握，才能為以后解決工程性問題打下基礎(chǔ)，才能在電路設(shè)計能力提高的過程中提高創(chuàng)新意識和工程應(yīng)用能力.

4 改革考核方式

目前數(shù)字電路課程考核評價存在的問題：（1）實踐教學(xué)考核機制不夠完善，且所占比例較小；（2）對于學(xué)生實踐創(chuàng)新方面的考核基本沒有；（3）試卷分數(shù)在課程考核中所占比例較大.

改革考核內(nèi)容：（1）采用閉卷和開卷相結(jié)合的方式進行，閉卷考查理論知識，開卷考查電路實踐設(shè)計能力；（2）平時性考核和期末考核相結(jié)合的方式，平時注重學(xué)生實驗項目完成程度的考核，期末考試注重學(xué)生對數(shù)字電路理論知識掌握的程度考核；（3）為了更好的實現(xiàn)應(yīng)用性人才培養(yǎng)目標，適當?shù)募尤雽W(xué)生創(chuàng)新實踐方面的考核，如學(xué)生參加安徽省大學(xué)生單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技能競賽、安徽省機器人大賽以及安徽省大學(xué)生電子設(shè)計大賽等賽事獲獎，根據(jù)獲獎等級（一等獎、二等獎、三等獎），一等獎獲得者可以申請期末免試，二等獎、三等獎獲得者在相關(guān)考核中加分30分,20分，積極探索“以賽代考”、“以證代考”等新的考核方式，實踐證明這些新的考核方式，將學(xué)生從傳統(tǒng)的灌輸式學(xué)習方式中解放出來；激勵學(xué)生主動去學(xué)習，去探索，這樣起到事半功倍的學(xué)習效果.

在數(shù)字電路教學(xué)過程中采用上述改革措施，經(jīng)過兩學(xué)期的探索和實踐，學(xué)生對這門專業(yè)核心課程的學(xué)習興趣得到了很大的提高，通過課堂中軟硬件相結(jié)合的方式，學(xué)生不僅學(xué)會了教材中抽象的理論知識點，活躍了思維并能將理論知識靈活的應(yīng)用到實際的電路設(shè)計過程中去，學(xué)生參加各類涉及到數(shù)字電路內(nèi)容的比賽積極性更高了，在2016年度獲得各類獎項9項，其中國家級獎項2項，安徽省級獎項6項，在教學(xué)改革措施的實施過程中，盡力做到理論知識、動手能力、綜合素質(zhì)有機結(jié)合的原則，突出我校應(yīng)用型本科院?！皩W(xué)以致用”辦學(xué)理念，在以后的教學(xué)過程中，還需不斷完善教學(xué)改革方案，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情，強化學(xué)生的動手能力，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習，參與競賽以及畢業(yè)設(shè)計，項目開發(fā)奠定堅實的基礎(chǔ).

〔1〕閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京:高等教育出版社，1998.

〔2〕康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ):數(shù)字部分(第四版)[M].北京:高等教育出版社，2000.

〔3〕童詩白,徐振英.現(xiàn)在電子學(xué)及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社，1994.

〔4〕黃荻,鄢立.融入EDA技術(shù)，深入數(shù)字電路課程改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2008(2):24-26.

〔5〕朱幼蓮，翟麗芳，黃成.數(shù)字電路課程的教學(xué)改革與實踐[J].江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報,2005,11(4): 67-70.

〔6〕王勇.模擬與數(shù)字電路實驗的課程設(shè)置[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2007,29(1):6-7.

〔7〕劉新元,謝柏青.數(shù)字邏輯電路實驗課程改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2009,31(2):8-10.

G642

A

1673-260X（2017）07-0219-03

2017-04-03

滁州學(xué)院教學(xué)質(zhì)量工程項目：《數(shù)字電路》課程綜合改革（2016kcgg015）；滁州學(xué)院校級科研立項項目：基于改進K-means算法的一卡通系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的分析與研究-以滁州學(xué)院為例 （2015GH12）；滁州學(xué)院校級優(yōu)質(zhì)課程項目：C++程序設(shè)計（2015yzkc04）；安徽省自然科學(xué)基金項目：基于移動最小二乘法與雙調(diào)和樣條的XRII圖像扭曲校正方法研究（1308085MF96）；安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點項目：C臂CT圖像三維金屬偽影去除方法研究（KJ2014A186）