王 楊，李正潔，李元金

（滁州學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

應(yīng)用型本科院校“數(shù)字電路”課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

王 楊，李正潔，李元金

（滁州學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

針對(duì)目前應(yīng)用型本科院校數(shù)字電路課程在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中遇到的問(wèn)題為背景，介紹本校計(jì)算機(jī)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(wèn)題為導(dǎo)向，理論和實(shí)踐相結(jié)合并引入現(xiàn)代教學(xué)手段，通過(guò)以“競(jìng)賽任務(wù)驅(qū)動(dòng)”方式提高理論教學(xué)的質(zhì)量，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以建立“課堂教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐教學(xué)”三位一體教學(xué)體系來(lái)完成，經(jīng)過(guò)兩學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果.

數(shù)字電路；教學(xué)手段；競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)；三位一體

1 引言

作為高校電子信息、自動(dòng)化、通信工程以及計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)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(jìn)行拓展，同時(shí)為后續(xù)學(xué)習(xí)《單片機(jī)原理》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《嵌入式系統(tǒng)》等課程打下堅(jiān)實(shí)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(shí)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(guò)該課程的學(xué)習(xí)，在掌握基本原理的基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)設(shè)計(jì)數(shù)字電路的能力，使學(xué)生具備一定的工程實(shí)踐能力，因此該課程對(duì)學(xué)生專(zhuān)業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)具有重要的作用和意義，但目前這門(mén)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(shí)踐過(guò)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(shí)時(shí)更新，并貼近實(shí)踐的需要，原有的課程授課方式側(cè)重于灌輸理論知識(shí)，淡化了對(duì)動(dòng)手實(shí)踐的要求，與當(dāng)今社會(huì)對(duì)人才的需求脫節(jié)，同時(shí)教學(xué)方式以多媒體課件為主，輔助以黑板板書(shū)的形式進(jìn)行，此種教學(xué)方法和手段很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，學(xué)生覺(jué)得理論內(nèi)容枯燥乏味，課下很難主動(dòng)去學(xué)習(xí)本課程，無(wú)法較好的掌握課程內(nèi)容，不能滿(mǎn)足我校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)要求.

2.1.1 問(wèn)題導(dǎo)向

針對(duì)《數(shù)字電路》課程理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，采取以問(wèn)題為導(dǎo)向的理論教學(xué).具體來(lái)說(shuō)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(lái)引入問(wèn)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(bào)修電路來(lái)說(shuō)明組合邏輯電路的類(lèi)型，學(xué)生帶著問(wèn)題學(xué)習(xí)理論知識(shí)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而提高教學(xué)效果和學(xué)生聽(tīng)課的質(zhì)量.

2.1.2 基于理論和實(shí)踐相結(jié)合的方式

理論結(jié)合實(shí)踐的教學(xué)方式在早期的授課過(guò)程中得不到重視，造成學(xué)生動(dòng)手能力偏弱，學(xué)生在遇到實(shí)際的電路設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)無(wú)從下手，因此在對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的講解授課過(guò)程中，穿插著一些數(shù)字電路設(shè)計(jì)案例去闡述，或者以引導(dǎo)法貫穿于理論課授課過(guò)程中，以提出的問(wèn)題去引導(dǎo)學(xué)生思考并最終找到解決問(wèn)題的方法，譬如在時(shí)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(shí)例貫穿整個(gè)章節(jié)，學(xué)生可能剛開(kāi)始無(wú)法完全聽(tīng)懂這個(gè)案例的設(shè)計(jì)過(guò)程，但通過(guò)這個(gè)典型的案例，對(duì)這一章節(jié)所要用的知識(shí)有個(gè)感性的認(rèn)知，從一定程度上提高了學(xué)習(xí)興趣和積極性.

本人在教學(xué)過(guò)程中積極探究和嘗試新方法，對(duì)于理論結(jié)合實(shí)踐的教學(xué)方法，設(shè)計(jì)一些難易度適中，覆蓋知識(shí)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(shí)點(diǎn)繁雜，同時(shí)課時(shí)有限，無(wú)法在有限的課堂時(shí)間中向?qū)W生傳授更多的新知識(shí)和新技術(shù)，為了彌補(bǔ)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(tái)上建立該課程的學(xué)習(xí)網(wǎng)站，并將授課的PPT課件、課后的習(xí)題和實(shí)踐項(xiàng)目等學(xué)習(xí)資源上傳其中，并根據(jù)應(yīng)用型本科院校的學(xué)生特點(diǎn)實(shí)時(shí)更新，讓學(xué)生不受時(shí)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(xí)，解決了課時(shí)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(guò)程中選擇適當(dāng)內(nèi)容安排翻轉(zhuǎn)課堂，讓學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，實(shí)踐證明很大程度上提高學(xué)生學(xué)習(xí)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(shí)時(shí)更新、補(bǔ)充，在傳統(tǒng)的授課方法中利用有限的教學(xué)課時(shí)想達(dá)到更高的層次很難做到，同時(shí)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(huà)出來(lái)，有很大的困難，因此在目前的授課過(guò)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(lái)，如溫度控制報(bào)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(shí)極大的增加了課堂知識(shí)的信息量.

圖1 溫度控制報(bào)警電路

2.1.4 以“競(jìng)賽任務(wù)”驅(qū)動(dòng)理論教學(xué)

每年安徽省大學(xué)生競(jìng)賽項(xiàng)目中，安徽省機(jī)器人大賽、安徽省大學(xué)生單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技能競(jìng)賽以及安徽省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽等賽事，學(xué)生在備賽過(guò)程中，設(shè)計(jì)相關(guān)電路時(shí)都會(huì)用到數(shù)字電路理論知識(shí)，本人在教改授課的過(guò)程中，會(huì)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(jìn)度，在課堂上帶著學(xué)生分析怎么去完成電路設(shè)計(jì)，讓學(xué)生加強(qiáng)用課本上理論知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題的能力，從而進(jìn)一步加深對(duì)抽象的理論知識(shí)點(diǎn)的理解，增強(qiáng)能學(xué)好這門(mén)課的信心，同時(shí)激發(fā)學(xué)生參加相關(guān)賽事的積極性.

3 實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式與方法改革

《數(shù)字電路》實(shí)驗(yàn)課作為理論課的補(bǔ)充，主要讓學(xué)生把理論課所學(xué)的內(nèi)容通過(guò)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的形式消化掌握，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式主要是設(shè)置幾個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，上課前幾分鐘由老師作簡(jiǎn)要介紹，由學(xué)生獨(dú)立完成，老師檢查實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成情況，對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)分；本人在日常實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課模式進(jìn)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(tái)自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐教學(xué)”的三位一體教學(xué)體系

本課程實(shí)驗(yàn)課時(shí)有16學(xué)時(shí)的，因此在課堂上需要理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，對(duì)于課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)內(nèi)容采取教師在課堂上布置任務(wù)，梳理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目用到的理論知識(shí)點(diǎn)，課前學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，課上由學(xué)生分組和單人完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(dòng)形象，學(xué)生可以課下進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)課堂時(shí)間不足的缺陷.“課堂教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐教學(xué)”的三位一體教學(xué)體系從教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)保證了教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn).

3.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力

本節(jié)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)評(píng)估算法的定位性能.仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)如下：2維場(chǎng)景中有4個(gè)外輻射源，5個(gè)接收站，其位置如表1所示.雙基地距離的測(cè)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(duì)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(qiáng)的特點(diǎn)，必須對(duì)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行創(chuàng)新，在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ接苫静僮鲗?shí)踐和自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)兩部分組成，在基本操作實(shí)踐部分，主要使用學(xué)院實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置的TD-DS+高級(jí)數(shù)字電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，該實(shí)驗(yàn)箱模塊種類(lèi)齊全，可以完成絕大部分?jǐn)?shù)字電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，充分使用該實(shí)驗(yàn)箱是為了讓學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，比如組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的驗(yàn)證，該方式摒棄了傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)多以軟件繪圖仿真運(yùn)行得出結(jié)果的方式，創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?shí)驗(yàn)效果得到顯著的提升，此外，學(xué)生在使用實(shí)驗(yàn)箱上的硬件模塊做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生能對(duì)電子元器件有更直觀的認(rèn)識(shí)，避免出現(xiàn)了解理論知識(shí)，卻不識(shí)電子元器件這種紙上談兵的現(xiàn)象，真正將書(shū)本上的理論知識(shí)跟硬件實(shí)物相結(jié)合，在自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)部分，將目前流行的Multisim10.0和EDA軟件引入到硬件中來(lái)，讓學(xué)生利用軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的數(shù)字電路原理圖進(jìn)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(shí)物的焊接成型，使學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，分階段來(lái)掌握整個(gè)數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)踐的整個(gè)流程，最終能獨(dú)立完成綜合性實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力，最重要是讓學(xué)生通過(guò)電路實(shí)物的成型形成濃厚的學(xué)習(xí)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(jì)教學(xué)模式

原來(lái)的課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式是由學(xué)生分組，幾個(gè)人一組來(lái)完成一個(gè)題目，造成抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，只有小部分學(xué)生是獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)內(nèi)容的，沒(méi)有達(dá)到利用課程設(shè)計(jì)來(lái)提高學(xué)生數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及分析、解決電路實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)課程設(shè)計(jì)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(méi)有體現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生對(duì)自己設(shè)計(jì)的數(shù)字電路具體實(shí)物沒(méi)有直觀感受，主要改革的內(nèi)容是，由任課老師提供幾十個(gè)參考題目，讓每個(gè)學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)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(guò)老師審核通過(guò)后才可使用，每位學(xué)生完成一個(gè)題目，避免抄襲現(xiàn)象的出現(xiàn)，學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要完成軟件程序設(shè)計(jì)，編譯、下載和硬件電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試，通過(guò)Protel99SE軟件完成電路板的設(shè)計(jì)，得到可行的電路實(shí)物，最后每位學(xué)生對(duì)自己完成的題目?jī)?nèi)容進(jìn)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(biāo)，并認(rèn)真完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫(xiě).

3.4 在實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)過(guò)程中提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和應(yīng)用能力

學(xué)生只有在充分掌握相關(guān)理論知識(shí)并能應(yīng)用于實(shí)踐項(xiàng)目中，才能對(duì)該課程有較好的掌握，才能為以后解決工程性問(wèn)題打下基礎(chǔ)，才能在電路設(shè)計(jì)能力提高的過(guò)程中提高創(chuàng)新意識(shí)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(píng)價(jià)存在的問(wèn)題：（1）實(shí)踐教學(xué)考核機(jī)制不夠完善，且所占比例較小；（2）對(duì)于學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新方面的考核基本沒(méi)有；（3）試卷分?jǐn)?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(kāi)卷相結(jié)合的方式進(jìn)行，閉卷考查理論知識(shí)，開(kāi)卷考查電路實(shí)踐設(shè)計(jì)能力；（2）平時(shí)性考核和期末考核相結(jié)合的方式，平時(shí)注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成程度的考核，期末考試注重學(xué)生對(duì)數(shù)字電路理論知識(shí)掌握的程度考核；（3）為了更好的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用性人才培養(yǎng)目標(biāo)，適當(dāng)?shù)募尤雽W(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐方面的考核，如學(xué)生參加安徽省大學(xué)生單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技能競(jìng)賽、安徽省機(jī)器人大賽以及安徽省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽等賽事獲獎(jiǎng)，根據(jù)獲獎(jiǎng)等級(jí)（一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)），一等獎(jiǎng)獲得者可以申請(qǐng)期末免試，二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)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(shí)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(xí)方式中解放出來(lái)；激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)去學(xué)習(xí)，去探索，這樣起到事半功倍的學(xué)習(xí)效果.

在數(shù)字電路教學(xué)過(guò)程中采用上述改革措施，經(jīng)過(guò)兩學(xué)期的探索和實(shí)踐，學(xué)生對(duì)這門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課程的學(xué)習(xí)興趣得到了很大的提高，通過(guò)課堂中軟硬件相結(jié)合的方式，學(xué)生不僅學(xué)會(huì)了教材中抽象的理論知識(shí)點(diǎn)，活躍了思維并能將理論知識(shí)靈活的應(yīng)用到實(shí)際的電路設(shè)計(jì)過(guò)程中去，學(xué)生參加各類(lèi)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(lèi)獎(jiǎng)項(xiàng)9項(xiàng)，其中國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)2項(xiàng)，安徽省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)6項(xiàng)，在教學(xué)改革措施的實(shí)施過(guò)程中，盡力做到理論知識(shí)、動(dòng)手能力、綜合素質(zhì)有機(jī)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(guò)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(xí)熱情，強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)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(xí)，參與競(jìng)賽以及畢業(yè)設(shè)計(jì)，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

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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(xiàng)目：《數(shù)字電路》課程綜合改革（2016kcgg015）；滁州學(xué)院校級(jí)科研立項(xiàng)項(xiàng)目：基于改進(jìn)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(jí)優(yōu)質(zhì)課程項(xiàng)目：C++程序設(shè)計(jì)（2015yzkc04）；安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目：基于移動(dòng)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(diǎn)項(xiàng)目：C臂CT圖像三維金屬偽影去除方法研究（KJ2014A186）