計算機數(shù)字邏輯課程一體化教學(xué)初探

張蔚+梁惺+彥顧暉

摘 要 根據(jù)數(shù)字邏輯技術(shù)課程特點，以卓越工程師計劃為依托，從職業(yè)技能培養(yǎng)入手，闡述理論教學(xué)與實驗、設(shè)計、應(yīng)用融合的一體化教學(xué)目標(biāo)、思路及方法，介紹通過以案例實訓(xùn)為職教形式的計算機數(shù)字邏輯課程教學(xué)改革、實現(xiàn)一體化教學(xué)的相關(guān)工作與研究。

關(guān)鍵詞 計算機數(shù)字邏輯；一體化教學(xué)；實驗教學(xué)；Proteus；教學(xué)資源

中圖分類號：G642.3 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）24-0123-03

Research and Realization in Integrated Teaching of Digital Logic//

ZHANG Wei， LIANG Xingyan， GU Hui

Abstract Based on the excellence engineer plan， according to the characteristics of the Digital Logic course， and focusing on the prac-

tical skills training， this paper elaborates the goals， ideas and methods

which are used in the theory-experiment-combined and design-app-

lication-integrated teaching in the course. The paper also emphasizes the teaching reform of the digital logic course and the research in the

actualizing of integrated teaching.

Key words digital logic； integrated teaching； experimental teaching； Proteus； teaching resources

1 課程背景

計算機數(shù)字邏輯課程是高校計算機專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，在知識結(jié)構(gòu)中承上啟下，可以為后續(xù)課程如組成原理、體系結(jié)構(gòu)、接口技術(shù)乃至嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等構(gòu)筑理論基礎(chǔ)。其主要內(nèi)容包括邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、門電路構(gòu)成與分析、組合邏輯電路、時序電路脈沖、時基整形電路組成及常用集成電路應(yīng)用等[1]。課程理論知識完整且復(fù)雜，不僅有數(shù)學(xué)理論的要求，有方程推導(dǎo)和公式演化，也有物理工藝與原理的討論，更注重電路分析能力和系統(tǒng)設(shè)計能力的培養(yǎng)。

傳統(tǒng)的計算機數(shù)字邏輯課程教學(xué)中，教師追求“講全、講細(xì)、講透”的理論課堂講解，學(xué)生花費大量精力去記憶公式、器件，計算電路中各信號變化，對計算機專業(yè)學(xué)生和電子工程、電氣工程等專業(yè)學(xué)生沒有進行差異化培養(yǎng)，使得計算機專業(yè)學(xué)生在接受課堂理論教學(xué)時易于感覺枯燥無意義，而實際設(shè)計操作時又變得無從下手，不少學(xué)生學(xué)習(xí)信心低落，教學(xué)效果不佳。

自南通大學(xué)計算機專業(yè)被納入江蘇省卓越工程師教育培養(yǎng)計劃，筆者所在教學(xué)團隊針對數(shù)字電路和數(shù)字邏輯課程理論體系完整、工程實踐應(yīng)用程度高的課程特點，以專業(yè)認(rèn)證和審核評估為預(yù)期，將之重塑為計算機數(shù)字邏輯設(shè)計，對該課程在工程人才培養(yǎng)框架下進行一體化整合，將理論基礎(chǔ)提高和應(yīng)用技能培訓(xùn)相融合，并切實貫徹到教學(xué)過程，進而構(gòu)造出一個適合于應(yīng)用型工程人才培育預(yù)期的課程教學(xué)體系，助力增強教學(xué)效果。

2 一體化教學(xué)設(shè)計

一體化教學(xué)是綜合利用現(xiàn)代教育技術(shù)，基于工程人才培養(yǎng)要求的課程教學(xué)目標(biāo)，將實施課程教學(xué)的各個環(huán)節(jié)及相關(guān)因素融合于一體的教學(xué)模式。涉及：

1）課程內(nèi)容的一體化設(shè)置，即理論部分和實踐內(nèi)容的拼接整合；

2）教學(xué)形式一體化實施，實現(xiàn)施教者的原理講授、操作演示跟受教者的課堂聽課、現(xiàn)場聽講及實驗訓(xùn)練的交互融合；

3）教學(xué)環(huán)境與教學(xué)資源的一體化，將教室、實驗室及實訓(xùn)場所等硬件資源與互聯(lián)網(wǎng)、虛擬技術(shù)和多媒體輔助等數(shù)字軟件資源一體化配置；

4）培養(yǎng)目標(biāo)的整體化，實現(xiàn)專業(yè)理論知識、專業(yè)設(shè)計技能、職業(yè)素質(zhì)和工程能力要求的一體化訓(xùn)練。

由此，形成融知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)教育于一體的教學(xué)模式[2]。

針對計算機類學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)和課程教學(xué)預(yù)期，通過組織計算機類各學(xué)科專家、教師進行座談研究，歸納出若干典型工程應(yīng)用設(shè)想；在此基礎(chǔ)上，進一步總結(jié)分析出各個典型工程所涉及的知識與技能；并組織任課教師，將這些工程應(yīng)用分解成若干個知識模塊，轉(zhuǎn)換成教學(xué)過程可以實施的教學(xué)設(shè)想和學(xué)習(xí)任務(wù)，設(shè)計重構(gòu)出若干學(xué)習(xí)情境，內(nèi)容上化繁入簡、去蕪存菁，規(guī)劃出適合于計算機類工程人才培養(yǎng)的施教內(nèi)容和教學(xué)任務(wù)。具體知識點順序及對應(yīng)的學(xué)時分配如表1所示。

3 教學(xué)組織與實施

師資隊伍建設(shè) 教師是知識的傳遞者，是教學(xué)活動的組織者。要落實一體化教學(xué)，保障專業(yè)理論傳授與實踐項目訓(xùn)練有機結(jié)合，實現(xiàn)高效率施教，則需要“教師—工程師”一體的“雙師型”教師。這就要求施教者必須具有扎實專業(yè)理論、教學(xué)經(jīng)驗和教師職業(yè)能力，同時需要具備工程視野，具備一定的工程經(jīng)驗，能較好地解決工程、生產(chǎn)中的實際問題，從而可以通過教學(xué)活動中的言傳身教，將工程應(yīng)用所需要的相關(guān)理論知識、操作技能、設(shè)計思維、開發(fā)經(jīng)驗以及職業(yè)態(tài)度傳授給學(xué)生。

在計算機數(shù)字邏輯設(shè)計課程改革期間，首先組織教師參加各類培訓(xùn)學(xué)習(xí)以提高教學(xué)技能，參與參觀廠企和實訓(xùn)基地建設(shè)以增進工程素養(yǎng)和職業(yè)培訓(xùn)觀念，努力實現(xiàn)“理論專能”到“理職相融”的轉(zhuǎn)型；其次，通過團隊導(dǎo)師形式優(yōu)化師資配置，形成以老帶新的合理化隊伍結(jié)構(gòu)，使專業(yè)課理論教師投入并逐步熟悉實驗實踐及實訓(xùn)教學(xué)，并根據(jù)教學(xué)各個環(huán)節(jié)的特點和學(xué)生素質(zhì)，不斷調(diào)整教學(xué)手段、優(yōu)化教學(xué)形式，同時也提高教師自身實訓(xùn)操作能力和指導(dǎo)學(xué)生工程訓(xùn)練的教學(xué)能力；最后，依據(jù)一體化教學(xué)目標(biāo)，通過對教學(xué)內(nèi)容和知識體系的分析，建立多個教學(xué)子模塊，并以此分配負(fù)責(zé)教師，形成高效的教學(xué)鏈。endprint

實訓(xùn)與仿真平臺建設(shè) 傳統(tǒng)的計算機數(shù)字邏輯實驗設(shè)備一般采用模組型試驗箱實現(xiàn)，學(xué)生根據(jù)實踐指南，將不同器件和功能模組之間進行連線即可完成硬件設(shè)計。該方法優(yōu)點在于實驗操作難度低、實驗完成度高，減輕教師實驗教學(xué)工作量和實驗室維護難度。但這種幾近于“傻瓜式”的操作，一方面，教師的實踐教學(xué)參與度不高，知識傳授和實踐培訓(xùn)力度不強；另一方面，由于模組型實驗設(shè)備設(shè)計上的內(nèi)部原理透明性，使得對于電子電路基礎(chǔ)較弱的計算機專業(yè)學(xué)生而言，很難理解實驗箱和實訓(xùn)平臺中各模組的插孔、連線與數(shù)字系統(tǒng)整體之間的聯(lián)系，更難以落實對計算機系統(tǒng)的感性認(rèn)識。

為兼顧“認(rèn)知”與“操作”，本課程采用以計算機仿真設(shè)計為主、硬件板驗證為輔的實踐方案，利用Proteus軟件良好的數(shù)字電路仿真能力、直觀的原理圖描述和可視化三維成品效果，幫助學(xué)生自主設(shè)計、實現(xiàn)各個一體化教學(xué)案例，有效增強實驗實踐效果。圖1為利用基本器件搭建內(nèi)存單元的Proteus仿真實驗。圖2為自行設(shè)計的猜生肖仿真作品。

教育技術(shù)與教學(xué)方法 一體化教學(xué)過程是理論教學(xué)與工程生產(chǎn)實踐緊密結(jié)合的體現(xiàn)。本教學(xué)團隊在教學(xué)實施中改變傳統(tǒng)的理論課和實踐課分段講授的模式，充分利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、移動終端和計算機虛擬仿真技術(shù)，實現(xiàn)邏輯電路原理知識與實際項目設(shè)計應(yīng)用的穿插拼接，構(gòu)造理論知識應(yīng)用于工程實踐的一體化教學(xué)情境，努力讓施教、受教雙方得到理想的教學(xué)體驗。受限于教學(xué)場所的建設(shè)條件和生源配比，徹底取消“理論—實踐”分段化，不符合目前教學(xué)實情。因此，適時適宜地運用現(xiàn)代教育技術(shù)，充分利用電化教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)平臺和移動終端，使工程實踐案例在理論課堂形象再現(xiàn)，幫助學(xué)生直觀記憶。

在教學(xué)情境構(gòu)造上，通過實行交互式課堂組織，將傳統(tǒng)理論課堂重構(gòu)為模擬的工程應(yīng)用討論現(xiàn)場，將工程參與融入學(xué)習(xí)參與，增強一體化課堂教學(xué)效果。在教學(xué)實踐過程中，除了實驗教具和設(shè)備，靈活利用多媒體教學(xué)和線上資源，利用“雨課堂”等PC-手機的同步教輔工具，實現(xiàn)師生便利的“多對多”交流，助力學(xué)生邊做邊學(xué)的“雙邊”學(xué)習(xí)；同時，通過Blackboard、QQ、百度云等新型教輔平臺和公共交流及資源平臺，強化課余復(fù)習(xí)、自我訓(xùn)練和實驗準(zhǔn)備等環(huán)節(jié)，讓課程講義和工程案例可以在PC或手機上點播重演，讓過程評價在網(wǎng)絡(luò)同步，逐步培養(yǎng)計算機類學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自我約束、文案書寫和項目管理等職業(yè)素養(yǎng)。

教學(xué)資源建設(shè) 一體化教學(xué)助力于將工程應(yīng)用融合到教學(xué)過程中，因此需要根據(jù)學(xué)生的知識層次和工程人才培養(yǎng)定位，結(jié)合本校計算機學(xué)科的專業(yè)區(qū)分度，重選重編適用性講義教材和教學(xué)資源，定制以工程能力培養(yǎng)為目標(biāo)的實驗實踐材料。表2給出依據(jù)課程教學(xué)計劃所擬定的資源建設(shè)任務(wù)。

依據(jù)集中討論、模塊負(fù)責(zé)的制作原則，讓每位主講教師熟悉課程各項內(nèi)容和資源，通過由易入難的任務(wù)引領(lǐng)學(xué)生專業(yè)技能的逐步提高，通過應(yīng)用方案的靈活多樣，誘發(fā)學(xué)生求知興趣，達到做與學(xué)的統(tǒng)一。

教學(xué)過程管理 教學(xué)過程的監(jiān)控管理是落實課程教學(xué)任務(wù)、保證課程教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。在實施中，針對各項實踐任務(wù)，學(xué)生對設(shè)計方案與運行結(jié)果進行分析總結(jié)，保存原理圖文件和仿真輸出，將實驗成果結(jié)合理論知識制作Word或PDF報告，進行展示、講解、討論和評價。整個教學(xué)過程中，通過現(xiàn)場考核和課后線上/線下遞交的形式，綜合運用單項教學(xué)環(huán)節(jié)考核、階段性能力測試和實訓(xùn)任務(wù)評級，保證學(xué)生在整個教學(xué)過程中的參與度；通過學(xué)校、學(xué)院組織的學(xué)生評教、同行反饋和課程階段性討論評價等，保障教師在教學(xué)實施各環(huán)節(jié)的達成度。通過師生統(tǒng)一觀念、同心協(xié)力、符合規(guī)律，達成培養(yǎng)目標(biāo)。

4 結(jié)語

在一體化教學(xué)改革實驗教學(xué)過程中，大部分學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣保持較高水平，實踐環(huán)節(jié)的完成度和成功率都比較理想，課外練習(xí)和作業(yè)完成情況也較往年有很大改觀。通過一年的課程教學(xué)改革與建設(shè)，初步達成師資團隊建設(shè)，逐步完善課程教學(xué)方案，豐富了教學(xué)手段，實現(xiàn)了多元化教學(xué)形式，并加強教材建設(shè)，完善網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫，有效保證了課程教學(xué)質(zhì)量和效果；另一方面，各個教學(xué)環(huán)節(jié)的落實使學(xué)生初步掌握課程相應(yīng)的操作技能和理論知識，逐步接受工程理念，積極將所學(xué)知識與實際應(yīng)用相結(jié)合，乃至培養(yǎng)創(chuàng)業(yè)能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻

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