基于科研項(xiàng)目的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)改革探究

摘 "要 "近年來(lái)，我國(guó)對(duì)集成電路人才的培養(yǎng)越來(lái)越重視，為滿足集成電路產(chǎn)業(yè)對(duì)人才工程實(shí)踐能力的要求，提高學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)課程的積極性，探究一種基于科研項(xiàng)目的數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)改革方法。分析數(shù)字電子技術(shù)課程在日常教學(xué)中重視理論教學(xué)、忽略實(shí)踐操作的問(wèn)題，分別從課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)、課程目標(biāo)設(shè)計(jì)、課堂組織形式以及課程評(píng)價(jià)四個(gè)方面進(jìn)行介紹，并把集成電路產(chǎn)業(yè)“卡脖子”困境融入教學(xué)，激發(fā)學(xué)生愛(ài)國(guó)情懷，培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 "新工科；數(shù)字電子技術(shù)；科研項(xiàng)目；工程實(shí)踐能力

中圖分類號(hào)：G642.0 " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）12-0103-03

0 "引言

數(shù)字電子技術(shù)是電子信息類工科專業(yè)如微電子科學(xué)與工程、電子科學(xué)與技術(shù)、通信工程等專業(yè)的重要課程之一[1]。目前，該課程還是以傳統(tǒng)的教學(xué)模式為主，參照教學(xué)大綱在課堂上進(jìn)行理論知識(shí)的講解，主要內(nèi)容包括基本邏輯門器件、組合和時(shí)序邏輯電路、常用組合和時(shí)序邏輯功能器件、脈沖產(chǎn)生電路等[2]。此外，該課程還包含部分驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，學(xué)生可以對(duì)數(shù)字電路有基本的理解和認(rèn)識(shí)，掌握常用數(shù)字電路的分析和設(shè)計(jì)方法。在新工科建設(shè)背景下，如何培養(yǎng)具有工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的多樣化工程人才，為我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供人才支撐，是高校和教師的當(dāng)務(wù)之急，也是長(zhǎng)遠(yuǎn)之策。

當(dāng)前，電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度日益加快，為了滿足集成電路的產(chǎn)業(yè)需求，對(duì)高校的相關(guān)專業(yè)和課程結(jié)構(gòu)提出新的要求。數(shù)字電子技術(shù)作為電子信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，只有具有技術(shù)更新速度快、實(shí)踐性更強(qiáng)的特點(diǎn)，才能緊跟集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[3]。工程實(shí)踐能力強(qiáng)是集成電路產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要特點(diǎn)，因此，對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程中的實(shí)踐要求也進(jìn)一步提高，這不僅可以作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神的重要途徑，而且能將理論知識(shí)應(yīng)用到工程實(shí)踐中[4]。但是重理論、輕實(shí)踐依舊是當(dāng)前數(shù)字電子技術(shù)課堂教學(xué)中的一大問(wèn)題?；诖?，本文將科研項(xiàng)目與數(shù)字電子技術(shù)課程進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從課堂導(dǎo)入、教學(xué)設(shè)計(jì)、課堂組織和課程評(píng)價(jià)四個(gè)方面進(jìn)行介紹，培養(yǎng)學(xué)生從項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)科學(xué)問(wèn)題，運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1 "數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

隨著電子技術(shù)在生產(chǎn)生活中的快速發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)研究成果在各種電子產(chǎn)品中已得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字電子技術(shù)課程是電子信息類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，其教學(xué)模式比較傳統(tǒng)，由教師在課堂上單向授課，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，通過(guò)反復(fù)記憶、練習(xí)、預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)加深對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的理解。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生的參與度和積極性都不高，而且實(shí)踐性較弱，不能滿足新工科背景下對(duì)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的要求，難以滿足國(guó)家戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)需求[5]。

數(shù)字電子技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)課作為理論課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，在一定程度上可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力。但是，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)置以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)流程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，不能將整體的理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，只是把課堂理論知識(shí)的正確性加以驗(yàn)證，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力不足，知識(shí)結(jié)構(gòu)缺乏整體性和創(chuàng)新性。這種教學(xué)效果與新工科建設(shè)背景下集成電路產(chǎn)業(yè)對(duì)人才創(chuàng)新和實(shí)踐能力的要求還有很大差距。因此，尋找能夠使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生形成獨(dú)立思考習(xí)慣和提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的教學(xué)模式十分必要。

傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)課程考核評(píng)價(jià)一般采用平時(shí)考核、期中考試、實(shí)驗(yàn)考核和期末考試的形式，這種重理論、輕實(shí)踐的評(píng)價(jià)方式不能全面考查學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，更重要的是不能對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力進(jìn)行考查，尋找適用于新工科背景下數(shù)字電子技術(shù)課程的評(píng)價(jià)機(jī)制勢(shì)在必行。

2 "科研項(xiàng)目與數(shù)字電子技術(shù)課程的融合

數(shù)字電子技術(shù)是一門理論與實(shí)踐聯(lián)系較為緊密的學(xué)科，是后續(xù)半導(dǎo)體器件物理、晶體管原理、硬件描述語(yǔ)言等多門專業(yè)課的學(xué)科基礎(chǔ)課。為了滿足集成電路企業(yè)的人才需求，在課程教學(xué)中需要培養(yǎng)具有科創(chuàng)精神和實(shí)踐能力的工程技術(shù)人才?；诳蒲许?xiàng)目的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)以項(xiàng)目導(dǎo)向的方式進(jìn)行理論知識(shí)的講授和教學(xué)，基于產(chǎn)出為導(dǎo)向的教育理念，把實(shí)踐能力的提升作為最終的產(chǎn)出。課堂以項(xiàng)目的形式展開(kāi)，分為四個(gè)環(huán)節(jié)：1）課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)，通過(guò)科研項(xiàng)目的研究背景引出課堂需要講授的知識(shí)點(diǎn)，以小規(guī)模的邏輯門電路為例；2）以今后科研項(xiàng)目中用到的電子器件為目標(biāo)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)；

3）課堂組織以項(xiàng)目組的形式進(jìn)行，組內(nèi)成員共同討論設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法；4）通過(guò)EDA軟件進(jìn)行仿真，對(duì)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行驗(yàn)證，最終通過(guò)制作實(shí)物來(lái)驗(yàn)證功能，并作出合理的課程評(píng)價(jià)。各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系如圖1所示。

2.1 "基于科研項(xiàng)目的課程導(dǎo)入

在講解邏輯門電路之前，先從日常生活中常見(jiàn)的與集成電路相關(guān)的電子產(chǎn)品如智能手機(jī)、PC、平板等入手，讓學(xué)生明白集成電路與自己的生活息息相關(guān)。在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生進(jìn)一步掌握大、中、小規(guī)模集成電路的分類方法。小規(guī)模集成電路一般由幾個(gè)或十幾個(gè)邏輯門電路組成，而邏輯門電路就是數(shù)字電子技術(shù)課程中實(shí)現(xiàn)邏輯功能的最小器件。此外，結(jié)合當(dāng)前的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和國(guó)內(nèi)外科技形勢(shì)，國(guó)內(nèi)華為、中興和飛騰等眾多集成電路相關(guān)的企業(yè)多次受到西方國(guó)家的技術(shù)封鎖，集成電路成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的“卡脖子”問(wèn)題，解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于人才[6]。所有的學(xué)生就像集成電路產(chǎn)業(yè)中的“邏輯門”，只有更好地學(xué)習(xí)本專業(yè)的相關(guān)知識(shí)，掌握相關(guān)的工程實(shí)踐技能，成為集成電路領(lǐng)域的人才，才能為集成電路這個(gè)“集體”貢獻(xiàn)自己的力量。

2021年9月27日，習(xí)近平總書記在中央人才工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，要圍繞國(guó)家重點(diǎn)領(lǐng)域、重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，組織產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)，加快“卡脖子”關(guān)鍵核心技術(shù)突破。集成電路是“卡脖子”產(chǎn)業(yè)之一，需要學(xué)生更好地學(xué)習(xí)相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，提高工程實(shí)踐能力，為國(guó)家和民族的復(fù)興貢獻(xiàn)自己的力量。本節(jié)課所講授的“基本邏輯門”知識(shí)點(diǎn)，從日常生活入手，結(jié)合產(chǎn)業(yè)的國(guó)內(nèi)國(guó)外局勢(shì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和愛(ài)國(guó)熱情，提升學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)的認(rèn)可度。

2.2 "基于科研項(xiàng)目的課程目標(biāo)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步鞏固本節(jié)課所學(xué)的基本的邏輯門電路相關(guān)知識(shí)，以項(xiàng)目組的形式，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的理論知識(shí)學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，以學(xué)生為主體，進(jìn)行項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目的實(shí)物制作和最終報(bào)告撰寫。以設(shè)計(jì)一個(gè)血型關(guān)系檢測(cè)電路為例，說(shuō)明課程目標(biāo)的設(shè)計(jì)過(guò)程。人類共有四種血型，分別為A、B、AB、O。輸血者與受血者需要滿足原則：O型血可以給任意血型的人進(jìn)行輸血，但只能接收O型血；A型血可以給A型和AB型的人輸血，只能接收A型和O型血；B型血可以給B型和AB型的人輸血，只能接收B型和O型血；AB型血只能給AB型的人輸血，但能接收其他三種血型的血。輸血者和受血者之間滿足圖2所示的關(guān)系。試用基本邏輯門電路設(shè)計(jì)一個(gè)小規(guī)模集成電路，判斷輸血者和受血者是否符合規(guī)定，如符合輸出1，不符合輸出0，采用的門電路形式不限。根據(jù)這一課程目標(biāo)，把班級(jí)學(xué)生分為若干項(xiàng)目組，每組學(xué)生不多于五人，組內(nèi)學(xué)生要把項(xiàng)目拆解后分工合作，每個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)不同的模塊。學(xué)生在學(xué)習(xí)邏輯門電路相關(guān)知識(shí)的同時(shí)，還需要把之前學(xué)到的知識(shí)如邏輯代數(shù)的化簡(jiǎn)、組合電路的設(shè)計(jì)等串聯(lián)，并且需要利用相關(guān)的EDA工具進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2.3 "基于科研項(xiàng)目的課堂組織

基于科研項(xiàng)目的課堂組織形式采用線上線下混合式教學(xué)模式，利用線上平臺(tái)如雨課堂、學(xué)習(xí)通等，讓學(xué)生在上課之前先進(jìn)行預(yù)習(xí)，提取不易理解和掌握的知識(shí)點(diǎn)，帶著問(wèn)題上課，以先學(xué)后教的方式開(kāi)展教學(xué)工作[7]。根據(jù)之前的課程目標(biāo)，教師先講解血型檢測(cè)電路的背景和關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，再針對(duì)學(xué)生歸納總結(jié)的不易理解的問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)講解。以項(xiàng)目組的形式讓學(xué)生查找資料，充分討論設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法，確定本組的設(shè)計(jì)方案，然后將本組的方案分享給其他組的學(xué)生，班級(jí)學(xué)生一起討論方案的可行性和合理性，根據(jù)其他學(xué)生的建議，對(duì)本組的設(shè)計(jì)方案做進(jìn)一步優(yōu)化。在此過(guò)程中，遇到不能解決的共性難題，可以在線上平臺(tái)以舉手、發(fā)彈幕等形式提問(wèn)，由教師進(jìn)行統(tǒng)一解答，再輔以相關(guān)的習(xí)題進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的鞏固。這種課堂組織形式能提高學(xué)生的課堂參與度和積極性，讓學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題，提高學(xué)生解決問(wèn)題和工程實(shí)踐能力。此外，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)使用EDA工具，學(xué)生可以通過(guò)仿真驗(yàn)證電路的連線、調(diào)試和測(cè)試結(jié)果，更自由地進(jìn)行探索式學(xué)習(xí)，提高創(chuàng)造能力。

2.4 "基于科研項(xiàng)目的課程評(píng)價(jià)

課程評(píng)價(jià)對(duì)于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性至關(guān)重要。課程評(píng)價(jià)要全面、真實(shí)、客觀地反映學(xué)生理論知識(shí)和工程實(shí)踐能力，要能體現(xiàn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解運(yùn)用能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，也要反映學(xué)生的溝通能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力?；诳蒲许?xiàng)目的課程評(píng)價(jià)采用項(xiàng)目成果的評(píng)價(jià)形式，一方面把項(xiàng)目拆解為多個(gè)過(guò)程性節(jié)點(diǎn)，在每一個(gè)項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)上對(duì)學(xué)生的成果進(jìn)行考核；另一方面，讓學(xué)生以項(xiàng)目組為單位提交每組制作的實(shí)物和設(shè)計(jì)說(shuō)明書，并就自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行答辯，闡述設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方案以及組內(nèi)成員的分工，將成績(jī)納入期末考試成績(jī)并適當(dāng)提高成績(jī)比例。

由于血型檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)沒(méi)有限定邏輯門的種類，這為學(xué)生的設(shè)計(jì)方案提供了多種可能性。因此，除了實(shí)物是否實(shí)現(xiàn)血型檢測(cè)功能這一評(píng)價(jià)結(jié)果外，電路設(shè)計(jì)過(guò)程中邏輯門的數(shù)量和輸入端的個(gè)數(shù)是否最少也是重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這種評(píng)價(jià)的目的是將外界干擾減到最少，芯片設(shè)計(jì)和制造的可靠性才會(huì)最高。讓學(xué)生在小規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)中掌握基本的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)原則，為中規(guī)模和大規(guī)模數(shù)字集成電路的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。這一部分成績(jī)作為實(shí)踐環(huán)節(jié)的成績(jī)，從實(shí)物演示的角度評(píng)定學(xué)生的實(shí)物完成情況，如電路調(diào)試、焊接、仿真等；實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書答辯主要評(píng)定學(xué)生的綜合能力，包括創(chuàng)新思維、寫作能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。另外，還有平時(shí)考核和期末考試，平時(shí)考核主要對(duì)學(xué)生的課堂參與度、作業(yè)完成度、學(xué)習(xí)態(tài)度等進(jìn)行評(píng)定，期末考試主要考查學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度。

根據(jù)上面的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)結(jié)果不達(dá)標(biāo)的學(xué)生進(jìn)行重點(diǎn)分析，查找原因并改進(jìn)教學(xué)方案和教學(xué)模式，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)手段，進(jìn)而促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的提高。

3 "結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)中存在重理論、輕實(shí)踐的問(wèn)題，不利于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和集成電路人才的培養(yǎng)。探究基于科研項(xiàng)目的數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)方法，從課堂導(dǎo)入、課程目標(biāo)設(shè)計(jì)、課堂組織形式和課程評(píng)價(jià)四個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革探究，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化課程的教學(xué)方法和教學(xué)手段，提高學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。此外，把集成電路產(chǎn)業(yè)目前遇到的“卡脖子”困境融入課堂教學(xué)，提高學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)可度，激發(fā)學(xué)生愛(ài)國(guó)熱情，為后續(xù)其他專業(yè)課程和實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

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