丁凱，肖慧娟，陶銘，謝仁平，李廣明，黃培燦

東莞理工學院 計算機科學與技術學院，廣東 東莞 523808

0 引言

“數(shù)字系統(tǒng)綜合設計”是計算機科學與技術專業(yè)的必修課，是“計算機系統(tǒng)I”課程實踐的深化教學。課程介紹了數(shù)字電路常用器件的功能和辨識方法、常用實驗工具的使用方法、數(shù)字電路搭建和調試方法。課程開設了多個驗證性、設計性和綜合性實驗項目，其中一個大型綜合實驗不僅要求仿真實現(xiàn)，還要做成電路實物。通過這些實驗項目，使學生掌握數(shù)字系統(tǒng)設計實現(xiàn)的步驟和方法，提高硬件設計和制作能力。本課程的工程實踐性強，傳統(tǒng)教學方式以計算機仿真、插拔線式實驗箱為主，實驗方式固化，靈活性不高，導致學生實踐能力薄弱，理論理解不深刻，學習興趣不高。因此，“數(shù)字系統(tǒng)綜合設計”課程教學改革迫在眉睫。

本文總結和分析了“數(shù)字系統(tǒng)綜合設計”課程的特點和以往教學中存在的問題，以東莞理工學院計算機科學與技術專業(yè)作為課程改革對象，從教學內(nèi)容、教學方式、實驗資源和考核方式等方面進行了探索與改革。為了增強實驗的靈活性，激發(fā)學生的學習興趣，課程組自主開發(fā)了口袋實驗箱，建設了豐富的自主學習資源以及便捷的實驗平臺，結合啟發(fā)式教學方法，增設大量的具有應用性、系統(tǒng)性和導學性的設計性和綜合性實驗項目，增加了答辯作為實驗考核的重要環(huán)節(jié)，實現(xiàn)培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和工程實踐能力的高素質工程型與應用型創(chuàng)新人才的課程改革目標。

1 “數(shù)字系統(tǒng)綜合設計”課程教學中存在的問題

1.1 實驗課程以仿真為主

一般院校均采用計算機仿真的方式開展實驗：將設計好的電路圖通過EDA（Electronic design automation，EDA）軟件進行實時模擬，模擬出實際功能，然后進行分析改進，從而實現(xiàn)電路的優(yōu)化設計。常用的EDA軟件有Proteus，LTspice，Tina-TI，Multism，Scratch等。運用軟件進行仿真，對于加深學生理解電路基礎知識具有一定的幫助和促進作用。然后，盡管仿真技術可以實現(xiàn)電路設計模擬，但是仿真與真正意義上的電路設計和實現(xiàn)還是有較大的差距，仿真技術無法真正取代真正的電路設計，如果學生對計算機硬件的學習，僅僅局限于仿真模擬，不動手制作實物電子作品，那么他們的計算機硬件分析和設計實踐能力難以得到真正的鍛煉和提高[1]。

1.2 實驗多以驗證性為主

傳統(tǒng)的實驗教學以驗證性實驗為主，設計性和綜合性實驗相對較少。《數(shù)字系統(tǒng)綜合設計》的驗證性實驗通常是由教師給出電路圖和實驗操作步驟，學生按照實驗操作步驟繪制電路圖，對已知的結論進行再次驗證，可以促使學生對基本概念的掌握，理解“實踐是檢驗真理的唯一標準”這一哲學原理。驗證性實驗可以訓練學生基本的實驗技能，加強學生使用仿真軟件的熟練度，提升學生撰寫實驗報告的寫作能力，培養(yǎng)學生對本課程的興趣[2]。然而，由于驗證性實驗的操作過程是按部就班實施的，而且實驗結果均在預料之中，學生難以遇到真實設計過程中遇到的各種不確定性因素和問題，缺乏獨立思考、自主探究和處理復雜問題的機會。

1.3 實驗設備比較老化

目前，有些院校采用插線板式的硬件實驗箱開展數(shù)字系統(tǒng)相關實驗，在實驗中，學生只需要按照實驗指導步驟，通過插拔線的方式連接電路，接通電源并調試后即可觀察到結果，這種實驗方法操作簡單，可以幫助理解所學的理論知識。然而，插線板式的硬件實驗箱電路固化，靈活性不高；實驗內(nèi)容受到限制，以驗證實驗為主，不能設計較復雜的實驗；實驗項目往往針對單一課程，擴展性不強；插拔線實驗箱往往體積較大，通常不可帶出實驗室；學生實驗時按部就班，通過插拔線進行操作，不易領悟背后的原理，難以鍛煉動手能力。同時，這種硬件實驗箱維護比較麻煩，插線、拔線操作繁瑣，元器件老化較快，損壞后更換困難，經(jīng)常需要廠家來學校維修[1-2]。

基于以上對“數(shù)字系統(tǒng)綜合設計”課程中存在問題的分析，本文從實驗課程內(nèi)容，實驗類型設置，實驗設備改進和實驗考核方式改革幾個方面進行了改革和探索。

2 課程教學目標的明確

在“新工科”建設背景下，在對行業(yè)/企業(yè)、用人單位、高校、校友進行調研，以及對本院系師資隊伍基礎、軟硬件條件及教學、科研特色進行調研的基礎上，參考工程教育專業(yè)認證標準，以應用為本、學生為本、特色為本、課程為本為基本原則，以幫助學生打下扎實的專業(yè)基礎、提升專業(yè)能力、培養(yǎng)科學思維為根本目標，確定了本課程的教學目標[3]。

（1）能力目標。掌握數(shù)字電路分析與設計的一般方法，培養(yǎng)工程問題的分析能力和解決能力；培養(yǎng)數(shù)字電路實驗研究的能力，具有計算機數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)的初步能力；培養(yǎng)學生硬件實驗研究能力；具有設計實驗、執(zhí)行實驗以及分析實驗結果的能力；具有使用計算機輔助軟件設計電路的能力。

（2）素質目標。培養(yǎng)學生探究工程科學的興趣、獨立思考的習慣和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度；養(yǎng)成勤于動手、善于動手的習慣和能力，具有理論聯(lián)系實際的工程意識和邏輯推理的思維習慣；逐步培養(yǎng)學生從事工程技術工作的素質和能力。

（3）知識目標。具備數(shù)字電路實踐的基本技能，為專業(yè)學習打下硬件基礎；認識常用數(shù)字器件及功能，熟悉數(shù)字系統(tǒng)設計的常用軟硬件工具，如Proteus仿真軟件、電路測試的萬用表；掌握數(shù)字系統(tǒng)設計開發(fā)的一般步驟和方法，具有設計和實現(xiàn)簡單數(shù)字電路的基本能力。

3 課程教學改革探索與實踐

3.1 口袋實驗箱設計

為了方便學生有效地開展實驗，使實驗不受時間、地點限制，課程組自制了150套口袋實驗箱，發(fā)放給學生人手一套。口袋實驗箱最早是由美國斯坦福大學Clifton Roozeboom博士提出的，隨后，英國的德蒙福特大學設計一款以ARM為核心的開發(fā)板，供學生實驗和項目開發(fā)使用，一種新的教學模式孕育而生[4-5]?？诖鼘嶒炏?，使用靈活，體積小，可攜帶，僅為傳統(tǒng)的1/3大小，模電、數(shù)電、單片機、嵌入式、硬件畢業(yè)設計等都可以用到。目前，集成芯片的快速發(fā)展為口袋實驗箱提供優(yōu)越條件[6]。

本課程組結合“數(shù)字系統(tǒng)綜合設計”中的實驗項目，研發(fā)設計了便于學生自主實驗的口袋實驗箱，實驗箱中包括面包板、電阻、LED、數(shù)碼管、二選一微動開關、芯片（7400,7404，7410,7420,7430,74147,4511等）、電源線、鑷子、剝線鉗、導線、萬用表、元件盒等設備和元器件。圖1和表1分別為課程組自制硬件口袋實驗箱與廠家插拔線式實驗箱外觀及性能對比。自制口袋實驗箱擁有大面積面包板實驗區(qū)，實驗設計靈活性大，可做較大規(guī)模實驗；面包板連線，更易領悟原理。學生領取口袋實驗箱后，可以在課后自主設計制作實物實驗作品，相當于進行了電子工藝實習。自制口袋實驗箱具有“小身材，大能量，開源性”的優(yōu)點，方便學生二次開發(fā)，無論何時何地，學生都可以實驗和二次開發(fā)，增強學生積極性和創(chuàng)新性。

表1 自制口袋實驗箱與傳統(tǒng)插拔線式實驗箱性能對比

圖1 自制硬件口袋實驗箱與廠家插拔線式實驗箱對比

3.2 實驗教學內(nèi)容設計

課程組對《數(shù)字系統(tǒng)綜合設計》課程教學進行了改革，將部分理論教學內(nèi)容設計成實驗項目教學，精心設計了大量具有應用性、系統(tǒng)性和導學性的設計性和綜合性實驗項目，取代了部分驗證性實驗項目。大部分實驗項目源自于生產(chǎn)實踐，理論教學和實驗教學內(nèi)容全覆蓋課程內(nèi)容，項目設計不僅是為鞏固理論知識服務，更是要求從中完成理論知識的學習，即項目具有較強的導學性。

改革后的實驗課程包括6個實驗，其中有1個驗證性實驗，3個設計性實驗，2個綜合性實驗，學生從兩個綜合性實驗中選擇一個完成實物作品制作。實驗項目名稱為：①數(shù)字系統(tǒng)仿真軟件及實驗器材的使用（驗證）；②單脈沖計數(shù)器的設計仿真實驗（設計）；③循環(huán)流動彩燈設計仿真實驗（設計）；④三路可存儲計分器設計仿真實驗（設計）；⑤帶搶答定時和得分統(tǒng)計的數(shù)字搶答器的仿真和電路制作（綜合）；⑥交通燈設計仿真實驗（綜合）。通過開設更多的設計和綜合性實驗項目，讓學生接觸電路設計過程中遇到的各種不確定性因素和問題，引導學生獨立思考、自主探究，鍛煉學生的動手能力和分析問題、解決問題的能力，間接促使學生對理論知識部分的深入理解。

3.3 采用啟發(fā)式教學理念設計實驗

為了增加設計性和綜合性實驗的數(shù)量，提高實驗的質量，本項目組采用啟發(fā)式教學理念，對實驗教學和授課方式進行了改革。在改革中我們發(fā)現(xiàn)，對于設計性和綜合性實驗，其電路相對比較復雜，若不給出電路原理圖，學生設計時無從下手；若給出電路圖，勢必影響培養(yǎng)學生獨立思考、解決問題的能力。為此，我們將實驗項目功能分解成多個部分，啟發(fā)式講解各部分的電路設計思路，引導學生進行設計。例如，對于多功能搶答器的綜合實驗，我們將電路功能分解為輸入信號接入電路、按鍵開關的數(shù)碼顯示電路、時鐘信號發(fā)生器、后續(xù)搶答封鎖電路、計分電路、倒計時電路和搶答鳴響電路，然后運用啟發(fā)式教學方法，分別引導學生對各部分的電路原理進行理解和思考，按照各個擊破的原則，分別完成各部分電路的設計，然后再匯總為總電路，實現(xiàn)實驗計劃中的所有功能。啟發(fā)式教學不僅可以將復雜的電路設計問題分解為多個相對簡單的電路設計問題，引導學生獨立思考、自主探究，還可以增強學生們的學習信心和興趣。

3.4 加強自主學習和自主實驗資源建設

為了方便學生進行自主學習和自主實驗，課程組在原有教學資源的基礎上，設計新的教學內(nèi)容、教學安排、教學方法和考核方式，建設了完善的自主學習與自主實驗的教學資源，且使用方便。編寫了教材《數(shù)字邏輯與計算機硬件基礎》，教材包含理論知識和實驗項目兩部分內(nèi)容，即將由清華大學出版社出版；制作了完善的視頻資源，如：掃描實驗資料中的二維碼可以觀看原理講解、設計講解、制作講解、Proteus仿真軟件使用講解、萬用表使用講解等。教材視頻、課件、習題庫等豐富的課后學習資源使學生學習自主性加大。學生每人一臺自制便攜式實驗箱，結合上述學習資源，可以不受時間、場地的限制開展仿真和實物實驗，大大提高了學生的學習興趣，增加學生的工程實踐能力，同時加深了理論知識的理解。通過實驗，“學”“做”并行，“學”“考”并行，間接引導了學生對理論知識的理解，提升了學生解決復雜問題的能力。

3.5 期末綜合實驗考核方式改革

因期末綜合實驗權重較大，為了考核的科學性和可執(zhí)行性，防止代做現(xiàn)象及引導學生“做中學”，期末綜合實驗除了考核上交仿真作品、實物作品和實驗報告外，對綜合實驗按照3人一組進行了分組，還設置了實驗答辯考核環(huán)節(jié)。若采用一對一答辯考核，教師工作量太大，而且每個學生被提問的問題不一樣，提問的題量也不一樣，提問和評分隨機性較大，考核不科學不公平。為減少教師工作量，使答辯工作切實可行，并減少答辯提問的隨機性，課程組精心設計了筆試答辯題庫，從題庫中抽題進行筆試答辯考核。其中，答辯原理圖1張，答辯題庫共50套題，每套4題，每套題雖然題目不同，但是考核知識點相同，難度相同。筆試答辯主要考察學生對期末實驗設計原理的理解程度，答辯題庫不對學生公開。答辯考試20min，每人隨機抽一套題作答。與此同時，本課程教學還給學生出了一道課程范圍之外的編程題（編程實現(xiàn)邏輯函數(shù)的化簡），完成后綜合成績加3分，開展了將程序設計和本課程知識相結合的實踐活動。

綜上，如表2所示，改革后的期末綜合實驗考核主要包括四種考核方式：通過仿真作品（20%權重）考核學生的設計能力及仿真技術；通過實物作品（40%權重）考核學生的動手實踐能力；通過實驗報告（20%權重）考核學生的科技寫作能力；通過筆試答辯（15%權重）考核學生對實驗原理的理解程度和解決具體問題的能力；通過小組成績（5%權重）考核學生溝通交流和團隊協(xié)作能力。

表2 綜合實驗成績評定方法

通過科學考核導向下的實驗學習，使學生在知識、技能、素質三方面得到全面提升。圖2是學生在口袋實驗箱上完成的實物實驗。實踐表明，改革后的實驗考核方法科學更加合理，較準確反應學生實驗水平；考核方法不僅充分考慮了實施的工作量和可行性，還能引導、驅動、督促學生實驗學習；通過深化理論學習，加強工程實踐能力，提高學生學習興趣，提高自主學習能力，使知識、能力、技能同步得到提升。近三年，課程組設計的課程單元“多功能搶答器設計與制作”獲全國高等院校計算機類專業(yè)教學能力大賽二等獎；指導的學生獲得了“挑戰(zhàn)杯”廣東大學生創(chuàng)業(yè)大賽大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽金獎，“挑戰(zhàn)杯”廣東大學生課外學術科技作品競賽一等獎，“藍橋杯”全國軟件和信息技術專業(yè)人才大賽國賽一等獎等獎項，教學改革初見成效。

圖2 學生在口袋實驗箱上完成的實驗作品

4 結語

綜上所述，本文通過總結“數(shù)字系統(tǒng)綜合設計”專業(yè)課程教學中存在的一些不足，從教學內(nèi)容、教學方式、實驗資源和考核方式等方面，探討了該課程教學改革的思路和方法。結合本課程實驗項目內(nèi)容，課程組開發(fā)了口袋實驗箱，口袋實驗箱具有“小身材，大能量，開源性”的優(yōu)點，學生每人一套，無論何時何地，學生都可以開展實驗和二次開發(fā)，增強學生積極性和創(chuàng)新性。實踐表明，改革后的教學模式有助于增強實驗的靈活性，引導學生獨立思考、自主探究，鍛煉學生的創(chuàng)新思維和工程意識；全方位的提升學生的設計能力、動手能力、寫作能力和對實驗原理的理解程度，能夠激發(fā)學生的學習興趣，增強學生的學習主動性，培養(yǎng)學生分析問題與解決問題的能力，提升學生的邏輯思維能力和動手能力。