融合CDIO的數(shù)字邏輯實驗教學改革探索

丁淑妍 李世寶 顧麗紅

摘要：改革傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路實驗教學模式，探索融合CDIO先進的工程教育理念，以“簡易數(shù)字跑表”實驗為例，從項目內(nèi)容、項目要求到項目評價三個角度介紹了新的實驗教學方法，使學生在“構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運作”四個階段較好地發(fā)揮主觀能動性，在對整體知識結(jié)構(gòu)的掌握、單一知識點的理解、工程實踐能力的訓練、團隊協(xié)作意識的提高各個方面，均取得明顯的效果。

關(guān)鍵詞：CDIO；數(shù)字邏輯電路；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）25-0136-02

一、背景

CDIO理念是以麻省理工學院為首的全球幾十所著名大學倡導的現(xiàn)代工程教育框架，是當前國際工程教育最新的發(fā)展方式，集構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）四個階段為一體。它以產(chǎn)品研發(fā)到運行的生命周期為載體，讓學生以主動、貫穿式、實踐的方式學習工程性明顯的課程，從而能夠在課堂理論學習和實驗項目完成的基礎(chǔ)上，提高工程實踐能力。

數(shù)字邏輯電路是工科高等教育的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程對于培養(yǎng)學生分析計算能力、實驗操作能力、研究設(shè)計能力和科學歸納能力等有著重要的作用。除理論教學外，必須配以一定的實踐環(huán)節(jié)，才能使學生更好地掌握課程內(nèi)容，而且實驗項目的內(nèi)容設(shè)計對于整個教學過程中學生能力的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用。教育部在《關(guān)于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》（教高[2005]1號）中有關(guān)本科實驗教學工作中提出，要“大力加強實踐教學，切實提高大學生的實踐能力”。《數(shù)字邏輯電路》無論是課程內(nèi)容和課程特點，還是課程地位，都決定了其實驗教學環(huán)節(jié)必須肩負提高學生綜合實踐能力和培養(yǎng)學生工程實踐素質(zhì)的責任。

二、傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路實驗項目存在的問題

《數(shù)字邏輯電路》是我校（中國石油大學（華東））通信工程專業(yè)的一門專業(yè)必修基礎(chǔ)課，針對課程自身特點和其在整個專業(yè)培養(yǎng)方案中的地位，課程組已經(jīng)對其理論和實驗內(nèi)容教學進行了深入調(diào)研和分析，做到了理論和實驗相結(jié)合、硬件實驗和軟件仿真相補充，但在以下幾個方面仍存在一定的問題。

1.實驗內(nèi)容缺乏綜合性，系統(tǒng)度不夠。傳統(tǒng)的實驗環(huán)節(jié)是學到某個章節(jié)，針對該章的知識點布置簡單的實驗內(nèi)容，學生也可以很快地理解要求完成實驗，但課程結(jié)束后對一些綜合性的電路分析和設(shè)計理不清思路，缺乏整體性，系統(tǒng)度不夠。

2.實驗要求缺乏獨創(chuàng)性，工程力不足。傳統(tǒng)實驗教學環(huán)節(jié)雖然也有簡單的綜合性實驗項目，但是要求過于死板，沒有給學生提供獨創(chuàng)的空間，實驗內(nèi)容與實際工程結(jié)合度不高，無法激發(fā)學生的興趣，致使學生缺乏獨立思考和參與熱情。

3.結(jié)果評價缺乏多元性，過程化不顯。單純的實驗報告評價和現(xiàn)場實驗操作的簡單考核，沒有考查到不同學生在實驗設(shè)計過程中的方案論證、縝密思考和調(diào)試修改等環(huán)節(jié)，無法激發(fā)學生的主觀能動性，不可避免地存在學生把寫實驗報告當成負擔，甚至出現(xiàn)抄襲的現(xiàn)象。

三、融合CDIO理念的綜合性實驗項目教學探索

針對傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路實驗教學中存在的問題，以“簡易數(shù)字跑表”實驗項目為例，探索融合CDIO理念的數(shù)字邏輯電路實驗教學方法?！昂喴讛?shù)字跑表”就是一個計時工具，下面從實驗內(nèi)容、實驗要求和實驗考核三個角度對該綜合性實驗項目的教學新方法進行說明。

1.貫穿式的實驗內(nèi)容設(shè)計。所謂貫穿式的實驗內(nèi)容，是指教師在理論課程授課開始前布置實驗任務，將實驗內(nèi)容中所涉及的知識點和理論教學建立起對應關(guān)系，明確各章節(jié)知識點在本實驗項目中的作用，將課程全部知識點進行融會貫通。從而可以使學生的學習目的更加明確，提高了教學效果。

簡易數(shù)字跑表的設(shè)計指標主要包括：①計數(shù)包括百分秒、秒、分鐘，各兩位；②開始/停止按鍵，低電平為計時，高電平為暫停；③復位按鍵，低電平時為計時，高電平為清零；④用BCD碼計數(shù)方式，直接輸出到6個數(shù)碼管顯示讀數(shù)。因此需要用到的電路單元主要有：控制電路、分頻器、顯示譯碼器。

從實驗項目的建模到最后實現(xiàn)，其各環(huán)節(jié)與課程內(nèi)容的對應關(guān)系為：功能分析環(huán)節(jié)，用到課程的數(shù)字邏輯基礎(chǔ)知識部分，包括邏輯變量定義、邏輯函數(shù)表述、真值表；計時部分主要用到時序邏輯電路的計數(shù)器和分頻器電路；時鐘電路對應于課程的脈沖波形的產(chǎn)生與整形電路章節(jié)；數(shù)碼顯示環(huán)節(jié)，主要用到基本邏輯門電路和組合邏輯電路的譯碼器芯片。此外的一些細節(jié)和輔助芯片，在布置實驗任務時進行說明，引導學生查閱資料，補充完善。

2.工程化的實驗任務要求。根據(jù)實驗項目內(nèi)容，要求學生自由組隊，并進行任務分工。在構(gòu)思階段（C階段），在教師引導下，團隊成員集體討論，通過深入理解任務內(nèi)容，確定所需輸入/輸出邏輯變量、系統(tǒng)狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系等，建立數(shù)學模型?？梢藻憻拰W生的獨立思考能力，查閱資料能力。設(shè)計階段（D階段），團隊各成員結(jié)合理論教學中的簡單實例，對應進行子任務的設(shè)計。先采用軟件工具進行仿真模擬，從而進一步理解實驗項目中各電路芯片的工作原理。隨著理論學習的不斷深入，教師引導學生查閱資料，鼓勵學生在原有任務內(nèi)容基礎(chǔ)上進行自由發(fā)揮和合理創(chuàng)新，使實驗項目功能更加豐富，并能綜合利用更多的理論知識。從而激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的參與熱情，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。實現(xiàn)階段（I階段），將各子任務合并，并進一步進行仿真調(diào)試，直到得出正確實驗結(jié)果，然后用實際硬件芯片來實現(xiàn)，并用示波器、萬用表等相應工具進行測試，排查故障，完成實驗項目。在這個過程中，學生可以充分理解各芯片在實際應用中的注意事項等，鍛煉學生工程實踐能力。運作階段（O階段），團隊成員進行項目展示，從設(shè)計思路、設(shè)計原理、關(guān)鍵技術(shù)、到調(diào)試過程遇到的問題及解決方法，進行全面的說明。對一個問題從理解到應用，再到講解，進一步鞏固所學知識。這不僅能擴大學生的視野，而且能培養(yǎng)團隊的協(xié)作意識。

3.過程化和多元化的實驗評價機制。融合CDIO工程教育模式的實驗項目在考核階段，除了傳統(tǒng)的實驗報告外，更多的比例為采取過程化和多元化的評價機制。過程化主要體現(xiàn)在對電路設(shè)計各個環(huán)節(jié)均進行評價，改變以往僅僅關(guān)注任務完成的結(jié)果，而忽視設(shè)計過程的評價模式。從電路設(shè)計的基本過程上看，其中的各個環(huán)節(jié)是一個遞進的過程，包括“數(shù)學建?！娐吩O(shè)計→電路仿真→電路連接→電路測試→電路完善”。每個環(huán)節(jié)不僅對于最后成果的呈現(xiàn)非常重要，而且對下一個環(huán)節(jié)如何進行和進行得好壞起到至關(guān)重要的作用。因此，根據(jù)各個階段性任務是否符合要求，或者在符合要求的前提下完成的質(zhì)量情況，給予一定比例的分數(shù)。

多元化包括評價主體的多元化和評價對象的多元化，打破傳統(tǒng)單一的由老師評價學生完成的狀況和只評價個人任務完成的狀況，加入組內(nèi)評價和不同組之間的評價。課程評價標準將教學標準和行業(yè)標準統(tǒng)一起來，將任務完成情況和團隊合作及個人在團隊中貢獻度結(jié)合起來，從而避免了僅評價實驗報告的片面性，使最終評價更加合理、完善，極大地提高了學生在學習和實驗過程中的主觀能動性。

四、結(jié)語

在《數(shù)字邏輯電路》實驗教學中融入CDIO工程教育理念，從實驗內(nèi)容、實驗要求和實驗評價三個方面改革傳統(tǒng)實驗教學模式的不足。使學生對基本理論知識有更完整和更深層次的理解，并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、系統(tǒng)性思維能力、工程實踐能力和團隊協(xié)作意識，很好地保證了教學質(zhì)量和教學效果。

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