摘 "要 "近年來，我國對集成電路人才的培養(yǎng)越來越重視，為滿足集成電路產(chǎn)業(yè)對人才工程實踐能力的要求，提高學生學習數(shù)字電子技術(shù)課程的積極性，探究一種基于科研項目的數(shù)字電子技術(shù)課程教學改革方法。分析數(shù)字電子技術(shù)課程在日常教學中重視理論教學、忽略實踐操作的問題，分別從課堂導入環(huán)節(jié)、課程目標設(shè)計、課堂組織形式以及課程評價四個方面進行介紹，并把集成電路產(chǎn)業(yè)“卡脖子”困境融入教學，激發(fā)學生愛國情懷，培養(yǎng)學生社會責任感，為后續(xù)課程的學習奠定基礎(chǔ)。

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

中圖分類號：G642.0 " "文獻標識碼：B

文章編號：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)如微電子科學與工程、電子科學與技術(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)的教學模式為主，參照教學大綱在課堂上進行理論知識的講解，主要內(nèi)容包括基本邏輯門器件、組合和時序邏輯電路、常用組合和時序邏輯功能器件、脈沖產(chǎn)生電路等[2]。此外，該課程還包含部分驗證型實驗和設(shè)計型實驗。通過理論和實驗的結(jié)合，學生可以對數(shù)字電路有基本的理解和認識，掌握常用數(shù)字電路的分析和設(shè)計方法。在新工科建設(shè)背景下，如何培養(yǎng)具有工程實踐和創(chuàng)新能力的多樣化工程人才，為我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供人才支撐，是高校和教師的當務(wù)之急，也是長遠之策。

當前，電子產(chǎn)品的開發(fā)速度日益加快，為了滿足集成電路的產(chǎn)業(yè)需求，對高校的相關(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、實踐性更強的特點，才能緊跟集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢[3]。工程實踐能力強是集成電路產(chǎn)業(yè)的一個重要特點，因此，對數(shù)字電子技術(shù)課程中的實踐要求也進一步提高，這不僅可以作為培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神的重要途徑，而且能將理論知識應用到工程實踐中[4]。但是重理論、輕實踐依舊是當前數(shù)字電子技術(shù)課堂教學中的一大問題?；诖?，本文將科研項目與數(shù)字電子技術(shù)課程進行有機結(jié)合，從課堂導入、教學設(shè)計、課堂組織和課程評價四個方面進行介紹，培養(yǎng)學生從項目中發(fā)現(xiàn)科學問題，運用理論知識解決實際問題，提高學生實踐創(chuàng)新能力。

1 "數(shù)字電子技術(shù)課程教學現(xiàn)狀和存在的問題

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，其教學模式比較傳統(tǒng)，由教師在課堂上單向授課，學生被動學習，通過反復記憶、練習、預習和復習加深對理論知識點的理解。在這種教學模式下，學生的參與度和積極性都不高，而且實踐性較弱，不能滿足新工科背景下對學生實踐和創(chuàng)新能力的要求，難以滿足國家戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)需求[5]。

數(shù)字電子技術(shù)課程的實驗課作為理論課程的實踐環(huán)節(jié)，在一定程度上可以鍛煉學生的動手操作能力。但是，由于實驗設(shè)置以驗證性實驗為主，學生按照實驗流程驗證實驗結(jié)果，撰寫實驗報告，不能將整體的理論知識進行實踐驗證，只是把課堂理論知識的正確性加以驗證，分析問題和解決問題的能力不足，知識結(jié)構(gòu)缺乏整體性和創(chuàng)新性。這種教學效果與新工科建設(shè)背景下集成電路產(chǎn)業(yè)對人才創(chuàng)新和實踐能力的要求還有很大差距。因此，尋找能夠使學生產(chǎn)生學習興趣，培養(yǎng)學生形成獨立思考習慣和提高學生創(chuàng)新實踐能力的教學模式十分必要。

傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)課程考核評價一般采用平時考核、期中考試、實驗考核和期末考試的形式，這種重理論、輕實踐的評價方式不能全面考查學生運用理論知識解決實際問題的能力，更重要的是不能對學生的實踐能力進行考查，尋找適用于新工科背景下數(shù)字電子技術(shù)課程的評價機制勢在必行。

2 "科研項目與數(shù)字電子技術(shù)課程的融合

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

3）課堂組織以項目組的形式進行，組內(nèi)成員共同討論設(shè)計原理和設(shè)計方法；4）通過EDA軟件進行仿真，對設(shè)計原理進行驗證，最終通過制作實物來驗證功能，并作出合理的課程評價。各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系如圖1所示。

2.1 "基于科研項目的課程導入

在講解邏輯門電路之前，先從日常生活中常見的與集成電路相關(guān)的電子產(chǎn)品如智能手機、PC、平板等入手，讓學生明白集成電路與自己的生活息息相關(guān)。在此基礎(chǔ)上，讓學生進一步掌握大、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或十幾個邏輯門電路組成，而邏輯門電路就是數(shù)字電子技術(shù)課程中實現(xiàn)邏輯功能的最小器件。此外，結(jié)合當前的半導體產(chǎn)業(yè)和國內(nèi)外科技形勢，國內(nèi)華為、中興和飛騰等眾多集成電路相關(guān)的企業(yè)多次受到西方國家的技術(shù)封鎖，集成電路成為制約我國經(jīng)濟和科技發(fā)展的“卡脖子”問題，解決這一問題的關(guān)鍵在于人才[6]。所有的學生就像集成電路產(chǎn)業(yè)中的“邏輯門”，只有更好地學習本專業(yè)的相關(guān)知識，掌握相關(guān)的工程實踐技能，成為集成電路領(lǐng)域的人才，才能為集成電路這個“集體”貢獻自己的力量。

2021年9月27日，習近平總書記在中央人才工作會議上強調(diào)，要圍繞國家重點領(lǐng)域、重點產(chǎn)業(yè)，組織產(chǎn)學研協(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，需要學生更好地學習相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，提高工程實踐能力，為國家和民族的復興貢獻自己的力量。本節(jié)課所講授的“基本邏輯門”知識點，從日常生活入手，結(jié)合產(chǎn)業(yè)的國內(nèi)國外局勢，提高學生的學習興趣和愛國熱情，提升學生對所學專業(yè)的認可度。

2.2 "基于科研項目的課程目標設(shè)計

為了進一步鞏固本節(jié)課所學的基本的邏輯門電路相關(guān)知識，以項目組的形式，指導學生進行相關(guān)的理論知識學習，引導學生進行項目開發(fā)，以學生為主體，進行項目的方案設(shè)計、項目的實物制作和最終報告撰寫。以設(shè)計一個血型關(guān)系檢測電路為例，說明課程目標的設(shè)計過程。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)計一個小規(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，把班級學生分為若干項目組，每組學生不多于五人，組內(nèi)學生要把項目拆解后分工合作，每個學生負責不同的模塊。學生在學習邏輯門電路相關(guān)知識的同時，還需要把之前學到的知識如邏輯代數(shù)的化簡、組合電路的設(shè)計等串聯(lián)，并且需要利用相關(guān)的EDA工具進行仿真驗證。

2.3 "基于科研項目的課堂組織

基于科研項目的課堂組織形式采用線上線下混合式教學模式，利用線上平臺如雨課堂、學習通等，讓學生在上課之前先進行預習，提取不易理解和掌握的知識點，帶著問題上課，以先學后教的方式開展教學工作[7]。根據(jù)之前的課程目標，教師先講解血型檢測電路的背景和關(guān)鍵知識點，再針對學生歸納總結(jié)的不易理解的問題進行重點講解。以項目組的形式讓學生查找資料，充分討論設(shè)計原理和設(shè)計方法，確定本組的設(shè)計方案，然后將本組的方案分享給其他組的學生，班級學生一起討論方案的可行性和合理性，根據(jù)其他學生的建議，對本組的設(shè)計方案做進一步優(yōu)化。在此過程中，遇到不能解決的共性難題，可以在線上平臺以舉手、發(fā)彈幕等形式提問，由教師進行統(tǒng)一解答，再輔以相關(guān)的習題進行知識點的鞏固。這種課堂組織形式能提高學生的課堂參與度和積極性，讓學生綜合運用所學知識解決問題，提高學生解決問題和工程實踐能力。此外，項目的設(shè)計過程中會使用EDA工具，學生可以通過仿真驗證電路的連線、調(diào)試和測試結(jié)果，更自由地進行探索式學習，提高創(chuàng)造能力。

2.4 "基于科研項目的課程評價

課程評價對于調(diào)動學生的學習積極性至關(guān)重要。課程評價要全面、真實、客觀地反映學生理論知識和工程實踐能力，要能體現(xiàn)學生對所學知識的理解運用能力、分析問題和解決問題的能力，也要反映學生的溝通能力和團隊協(xié)作能力。基于科研項目的課程評價采用項目成果的評價形式，一方面把項目拆解為多個過程性節(jié)點，在每一個項目節(jié)點上對學生的成果進行考核；另一方面，讓學生以項目組為單位提交每組制作的實物和設(shè)計說明書，并就自己的設(shè)計進行答辯，闡述設(shè)計原理和設(shè)計方案以及組內(nèi)成員的分工，將成績納入期末考試成績并適當提高成績比例。

由于血型檢測電路的設(shè)計沒有限定邏輯門的種類，這為學生的設(shè)計方案提供了多種可能性。因此，除了實物是否實現(xiàn)血型檢測功能這一評價結(jié)果外，電路設(shè)計過程中邏輯門的數(shù)量和輸入端的個數(shù)是否最少也是重要的評價標準，這種評價的目的是將外界干擾減到最少，芯片設(shè)計和制造的可靠性才會最高。讓學生在小規(guī)模集成電路的設(shè)計中掌握基本的設(shè)計原理和設(shè)計原則，為中規(guī)模和大規(guī)模數(shù)字集成電路的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。這一部分成績作為實踐環(huán)節(jié)的成績，從實物演示的角度評定學生的實物完成情況，如電路調(diào)試、焊接、仿真等；實驗說明書答辯主要評定學生的綜合能力，包括創(chuàng)新思維、寫作能力和團隊協(xié)作能力。另外，還有平時考核和期末考試，平時考核主要對學生的課堂參與度、作業(yè)完成度、學習態(tài)度等進行評定，期末考試主要考查學生對理論知識的掌握程度。

根據(jù)上面的綜合評價結(jié)果，對結(jié)果不達標的學生進行重點分析，查找原因并改進教學方案和教學模式，優(yōu)化教學內(nèi)容，改進教學手段，進而促進教學質(zhì)量和學生培養(yǎng)質(zhì)量的提高。

3 "結(jié)束語

傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)課程教學中存在重理論、輕實踐的問題，不利于后續(xù)課程的學習和集成電路人才的培養(yǎng)。探究基于科研項目的數(shù)字電子技術(shù)課程教學方法，從課堂導入、課程目標設(shè)計、課堂組織形式和課程評價四個方面進行教學改革探究，根據(jù)學生的學習評價結(jié)果，進一步改進優(yōu)化課程的教學方法和教學手段，提高學生的工程實踐和創(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，提高學生對專業(yè)的認可度，激發(fā)學生愛國熱情，為后續(xù)其他專業(yè)課程和實踐課程的學習奠定基礎(chǔ)。

4 "參考文獻

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