數字電路設計實踐環節教學改革范文

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摘要：

針對硬件課程實踐環節在提高學生解決實際問題能力上效果不理想、課程之間銜接不好等問題，基于CDIO工程教育理念，結合“try”教學方法，基于數字電路設計課程的實踐環節，提出一種新的教學模式。

關鍵詞：

CDIO；教學模式；實踐環節；課程銜接

由麻省理工學院等4所大學創立的CDIO工程教育理念，是繼承和發展歐美工程教育改革的一種新的教育理念。該理念包括12條標準，涵蓋了具有可操作性的能力培養、全面實施以及檢驗測評。它以產品研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式來學習工程的理論、技術與經驗[1-2]。數字電路設計是計算機組成原理、接口與通信以及嵌入式類課程的先修課程。如果在數字電路設計的教學中沒有考慮好與后續課程在理論教學與實踐教學內容上的銜接，則容易導致學生在后繼課程的學習中遇到困難[3]。

1數字電路設計課程實踐環節的教學條件和教學現狀

（1）社會對軟件人才的需求量遠大于對硬件人才的需求量，學生出于就業考慮，容易形成重軟件輕硬件的觀念。（2）硬件課程入門較難，實踐環節大都是驗證性的，缺乏探索性，不利于培養學生解決實際問題的能力，從而打擊了學生學習硬件課程的積極性，導致學生形成“好軟怕硬”的思想。（3）傳統教學模式是教師課堂講授，適當結合驗證性實驗，不能激發學生的學習積極性。學生學完理論、做完實驗后，仍然缺乏解決實際問題的綜合能力、工程實踐能力及創新能力[4]。傳統教學模式的弊端導致在與計算機組成原理等后繼課程的銜接中，學生不能從系統的高度認識數字邏輯[3-5]。（4）計算機學院開設的數字電路設計和計算機組成原理等課程，采用同一套實驗設備，在一定程度上能讓學生的學習具有連續性。（5）自創的“try”教學方法可適用于數字電路設計課程及實踐環節的教學[6-8]，但由于算機組成原理和數字電路設計兩門課程的內容和要求不同，“try”教學方法在應用于后者時，應有所調整。

2數字電路設計課程實踐環節改革方案

2.1實踐環節的層次設計為了獲得更好的教學效果，教師探索了各種方法，其中有案例法、項目驅動法、任務驅動法等[9-12]。從實驗室建設、實驗手法、課程整合等不同角度來提高實踐環節質量[13-14]也能夠有效提高教學效果。比較上述方法后，考慮與后續課程的銜接等因素，根據CDIO標準3、5、7的要求，結合自創的“try”教學方法，我們將數字電路設計課程的實踐環節分成兩個層次，從最簡單的門級電路編程開始，難度由低到高、循序漸進，最終讓學生完成源于實際案例的綜合實驗，初步具備實際工程能力。表1從實驗項目設計、教學方法等7方面對基本實驗和綜合實驗進行了對比。在教學中，學生學習的主要障礙不是掌握理論方法，而是缺乏理論知識和實踐問題認知的溝通[11]。因此，我們在理論教材中選擇15個知識點，設計成相關的任務和實驗內容，如全加器、表決器等，采用“try”教學方法并結合任務驅動法，鼓勵學生多動手多嘗試，通過任務、查資料、仿真、實物驗證、教師驗收、撰寫實驗報告和總結這7個步驟完成對15個理論知識點的學習。為了進一步提高學生的實際工程能力，基于科研項目，貼近實際生活，我們編寫了自動售貨機、出租車計費器、電梯控制器等6個綜合實驗。實驗采用分組方式，每組學生自行選擇一個題目，在規定時間內完成該綜合實驗。綜合實驗的教學過程一般包括：教師項目及要求、學生分組并認領項目、組內分工、查資料、設計方案、論證可行性、學生在宿舍仿真、學生在實驗室的硬件開發板上實物驗證、教師驗收、提交實驗報告、實驗答辯、成績評定等13個環節。教師在項目要求的時候，只給出最基本的要求，學生在設計的過程中可以自行擴充，也就是說，同一個綜合實驗題目，其設計可繁可簡，不同學生設計的電路可能會不一樣。

2.2實踐環節評價體系的構建根據CDIO標準11，構建了實踐環節的評價體系。

2.2.1基本實驗評價方法基本實驗評價指標是：①時限；②工作量；③完成質量；④驗收程序；⑤實驗報告。其中①、②、④、⑤考核了學生的個人能力和表達能力，指標③、④、⑤考核了學生的專業知識、建造產品和系統的能力。對這5項指標加權平均得到該基本實驗項目分數，如式1所示，其中Sj表示某個基本實驗的得分，Ki表示某個考查指標的系數，Mi表示在某個考查指標上的得分。由15個基本實驗的得分累加后除以15，得到基本實驗項目的總得分，如式2所示，其中BS表示基本實驗的總得分，Sj表示某一個基本實驗的得分。

2.2.2綜合實驗評價方法綜合實驗評價指標是：①時限；②查資料的能力；③實驗方案；④創新性；⑤設計說明書；⑥完成質量；⑦團隊合作能力；⑧工作量；⑨驗收；⑩實驗報告；實驗答辯。其中①、②、⑤、⑦、⑧、⑨、⑩、項考核了學生的個人自身能力、探究能力、團隊合作能力和表達能力，指標③、④、⑤、⑥、⑨、⑩、考核了學生的專業知識、建造產品和系統的能力。修改式1可對這11項指標的得分加權平均，從而得到綜合實驗的分數。

2.2.3實踐環節最終成績評定辦法及選優措施實踐環節總評成績由基本實驗成績和綜合實驗成績兩部分加權平均得到,從工作量及投入時間方面考慮，一般建議兩者各占50%。綜合實驗結束后，根據學生在實踐環節的學習情況和成績，特別是綜合實驗中的表現，向各相關學科實驗室推薦優秀本科生，使他們有機會加入科研項目組，參與教師的科研工作。

3實施效果及分析

為檢驗課改成果，我們設計了一套課程評價系統，包括一套具有反向題的學生調查問卷、學評教的數據、學生的理論課成績單、實踐環節成績單、一套后繼課程教師評價學生掌握先修課程知識的調查問卷、一套學生所在學科實驗室評價該生的調查問卷等。評價系統還包括對這些數據的統計和分析。統計數據顯示，在CDIO模式基本實驗和綜合實驗實驗項目設計上，學生滿意度達到81.6%，在教學內容、教學方法、實驗環節考核方法等方面，學生滿意度達到97.4%，比傳統模式提高了20幾個百分點。這些數據表明，新教學模式比傳統模式更能激發學生的實驗興趣，促進他們較大幅度地提高項目設計能力、動手編程能力、團隊合作能力。我們將2013級計算機科學與技術專業的學生分成兩組，采用相同的教學資源和不同的教學方式分別授課，一組采用新模式教學，另一組采用傳統模式教學。經過一個學期的學習，2015年1月數字電路設計課程理論考試中，在試卷相同的情況下，新模式組成績優良率達到52.9%，比傳統模式組高24個百分點；新模式組不及格率為15.7%，比傳統模式組低15個百分點；新模式組平均卷面成績為78分，比傳統模式組高6.1分。由此可知，基于新標準并結合“try”方法的新教學模式能夠提高實踐環節的教學質量，切實促進學生深入理解理論課的相關知識點，有助于學生更好地完成課程銜接，為學生后繼課程的學習打下堅實的基礎。追蹤這些學生后繼課程的學習情況，統計2015年6月計算機組成原理課程設計期末考試成績后發現：原新模式組優良率達到80.3%，比傳統模式組高25個百分點；原新模式組不及格率為0，比傳統模式組低21個百分點。計算機組成原理課程理論考試中，原新模式組平均卷面成績為68分，比傳統模式組高5分；原新模式組不及格率為17.4%，比傳統模式組低5個百分點。此數據表明，數字電路設計課程實踐環節采用新教學模式教學有助于學生對后繼課程的學習，特別是實踐環節成績有了大幅提升，不及格率也明顯下降。

4結語

新教學模式基于CDIO理論，結合“try”教學理念，將數字電路設計課程實踐環節分為基礎實驗和綜合實驗兩個層次,并包含了配套的成績評定方法和課程評價系統。實踐證明，新教學模式能夠更好地促進課程銜接，有利于培養學生自主學習、主動探索的精神和能力，培養學生的工程實踐能力、溝通交流能力及團隊協作能力。改革的下一步，是根據每一門課的特點，把基于CDIO理念的教學模式推廣到課程群其他課程的教學中去，以期從課程層次化、課程間網絡化等多角度、多層面地把學生培養成為優秀的工程技術人才。

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作者：章復嘉 馮建文 俞岳軍 吳小開 單位：杭州電子科技大學 計算機學院