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［摘要］數(shù)字電子技術(shù)課程是本校電子工程類學(xué)生重要專業(yè)背景課，該文就對分課堂提高學(xué)生積極性和參與感、雨課堂平臺追蹤學(xué)生學(xué)習(xí)進展、將理論與工程實踐以及EDA技術(shù)聯(lián)系起來、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力等幾個方面進行探討，以期能改善高校數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)效果，以學(xué)生為中心，突出能力培養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］數(shù)字電子技術(shù)；對分課堂；雨課堂；EDA設(shè)計

一、數(shù)字電子技術(shù)課程傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

美國國家訓(xùn)練實驗室研究表明，在學(xué)習(xí)金字塔中，采用不同的學(xué)習(xí)方式，學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)內(nèi)容的平均留存率有較大差距。若通過聽講、閱讀、視聽或演示方式學(xué)到的內(nèi)容，學(xué)習(xí)者會以較快的速度遺忘；而通過討論、實踐或親自教授給他人等主動學(xué)習(xí)方式，則可以給學(xué)習(xí)者留下更深刻的記憶及認識。在傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)過程中，教師通常采用“滿堂灌”的方法進行授課，側(cè)重知識灌輸，學(xué)生填鴨式被動接納內(nèi)容。當(dāng)然如果老師思路清晰，語言感染力強，可能教學(xué)效果還會略好，但對于講課死板的教師，尤其是教學(xué)內(nèi)容枯燥晦澀時，非常容易使學(xué)生產(chǎn)生疲勞和厭倦，教師失趣，學(xué)生失序，效率極低。實際的教學(xué)過程中，特別是當(dāng)教學(xué)對象變?yōu)榘橹娮赢a(chǎn)品長大的“00后”一代，傳統(tǒng)的教學(xué)方法存在著諸多問題，并不完全適應(yīng)新時代學(xué)生的特點[1]。教師授課時更多講解關(guān)于數(shù)字電子技術(shù)概念、定理，附加大量課后習(xí)題訓(xùn)練，忽略了數(shù)字電子技術(shù)和實際實踐的聯(lián)系，缺少師生、生生之間的交互，使得部分學(xué)生感覺數(shù)字電子技術(shù)課程單調(diào)乏味，動力不足，即便直到課程結(jié)束也依然完全不能實際應(yīng)用于工程實踐，無法與現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)相適應(yīng)。因此，我們在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)的實踐中對教學(xué)方法進行改進，以培養(yǎng)能力為目標、以綜合實踐為主線，遵循“課前學(xué)習(xí)—課上精講—小組討論—實驗實踐”的教學(xué)模式；形成了全程考核、評價反饋和教學(xué)策略持續(xù)優(yōu)化的方式方法，在學(xué)習(xí)討論中掌握知識、拓展思維，在自主實踐中形成能力、激發(fā)創(chuàng)新。

二、“對分課堂”在數(shù)字電子技術(shù)課程中的應(yīng)用

結(jié)合傳統(tǒng)課堂與討論式課堂的各自優(yōu)勢，將“對分課堂”（PAD）引入教學(xué)，其教學(xué)過程劃分為三個階段，即講授（Presentation）、內(nèi)化吸收（Assimilation）和研討（Discussion）[2]，把一半課堂時間分配給教師講授，一半時間分配給學(xué)生進行討論，既能充分發(fā)揮教師價值，又能調(diào)動學(xué)生積極性，實現(xiàn)高質(zhì)量課堂互動。在該教學(xué)模式下，教師要適度減少課堂教學(xué)內(nèi)容，一方面需進行更精細的教學(xué)設(shè)計，梳理出課堂內(nèi)外的教學(xué)內(nèi)容，另外一方面也需要采取有效措施來確保學(xué)生能在課外發(fā)生有效學(xué)習(xí)行為，取得可衡量的學(xué)習(xí)成效。在數(shù)字電子技術(shù)課程實施過程中以夯實理論為基礎(chǔ)，強化學(xué)生現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用能力為目標，以綜合實踐為主線，將數(shù)字電路與EDA技術(shù)中的部分內(nèi)容進行融合，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)手段，課程教學(xué)設(shè)計圍繞以下幾個方面進行：

（一）調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。數(shù)字電路已進入超大規(guī)模集成電路時代，而EDA技術(shù)作為代表電路設(shè)計的最新發(fā)展方向，從培養(yǎng)專業(yè)人才的根本目的出發(fā)，通過對傳統(tǒng)的數(shù)字電路課程進行教學(xué)改革，將它與現(xiàn)代EDA技術(shù)相融合，縮短基礎(chǔ)理論知識與現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計之間的差距，學(xué)生通過隨堂實驗直觀感受，了解利用EDA技術(shù)對數(shù)字電路進行分析和設(shè)計的基本方法，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，實現(xiàn)理論與實踐教學(xué)的有機結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的科技信息能力和工程實踐能力。數(shù)字電子技術(shù)課程由傳統(tǒng)的數(shù)字電路引入FPGA平臺、硬件描述語言等EDA技術(shù)后，教學(xué)重點從“培養(yǎng)集成器件的外部特性及應(yīng)用能力”調(diào)整為“器件應(yīng)用能力＋數(shù)字邏輯設(shè)計思維＋語言建模能力”，學(xué)習(xí)要求提高了而學(xué)時數(shù)不變，則需要對本課程教學(xué)內(nèi)容進行變革調(diào)整。基于此我們從兩方面進行改進，一是減少傳統(tǒng)數(shù)制碼制、邏輯函數(shù)化簡的學(xué)時，壓縮SSI集成電路的講解；簡要講解關(guān)于邏輯門電路的內(nèi)容，在課程講述中穿插硬件描述語言的基本知識，講述硬件描述語言的語法結(jié)構(gòu)以及并行語句、順序語句方面的知識，要求能用硬件描述語言設(shè)計簡單的組合、時序邏輯電路；二是在實驗課上講解相關(guān)軟件和硬件平臺的使用，學(xué)生完成基本實驗[3]，利用EDA軟件仿真功能，課下布置仿真實驗，完成理論性驗證，同時加大綜合設(shè)計實驗和自主研究實驗的比例。例如在數(shù)字電子技術(shù)移位寄存器學(xué)習(xí)過程中，對觸發(fā)器級聯(lián)構(gòu)成移位寄存器的電路分析是非常重要的。其分析方法是，根據(jù)給定的邏輯電路圖，了解電路的輸入、輸出信號，了解觸發(fā)器的類型，根據(jù)觸發(fā)器特性方程得到觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換，進而列出轉(zhuǎn)換表或畫出狀態(tài)圖和波形圖，即可確定電路的邏輯功能。若通過EDA軟件，使用硬件描述語（HDL）言對其進行仿真建模，既可以通過軟件邏輯綜合得到從HDL描述的數(shù)字邏輯電路模型中導(dǎo)出電路基本元件列表以及元件之間的連接關(guān)系，如圖1（a）所示；也可以通過調(diào)用ModelSim仿真得到相關(guān)信號時序圖，如圖1（b）所示。硬件描述語言用形式化方法描述數(shù)字電路和系統(tǒng)，利用這種語言，數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計可以從上層到下層，從抽象到具體，逐層描述自己的設(shè)計思想，用一系列分層次的模塊來表示極其復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，然后利用電子設(shè)計自動化EDA工具逐層進行仿真驗證，再把其中需要變?yōu)閷嶋H電路的模塊組合，經(jīng)過自動綜合工具轉(zhuǎn)換到門級電路網(wǎng)表，提高電路設(shè)計的效率和可靠性。

（二）改進教學(xué)方式。1.課堂講授融入實際應(yīng)用。目前數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)通常開篇就開始講授二進制代碼、邏輯門、組合邏輯函數(shù)等，在該模式下，最大問題在于沒有講到為什么要學(xué)進制代碼、為什么要分析數(shù)字電路。也就是說通常我們教師并沒有提出數(shù)字電子技術(shù)課程學(xué)習(xí)的意義，也沒有說明它在實際中的應(yīng)用。因此我們在教學(xué)中引入精選電子裝備和生活應(yīng)用典型案例，對基本器件、基本原理、基本方法展開講解，從實驗現(xiàn)象或測試問題中發(fā)現(xiàn)問題，圍繞問題的解決開展教學(xué)和重難點分析，改變傳統(tǒng)理論教學(xué)滿堂灌的教學(xué)方式，運用案例式教學(xué)，學(xué)生通過研究工程實例，了解工程應(yīng)用，從而學(xué)以致用，提高學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂氣氛。2.課上課下實施口袋實驗。學(xué)生需轉(zhuǎn)變被動學(xué)習(xí)的觀念，結(jié)合實踐項目，鼓勵學(xué)生接觸和閱讀相關(guān)的數(shù)據(jù)文檔，研究實際工程案例和經(jīng)典設(shè)計，采用口袋實驗室在任何時間、任何地點開展自主實驗，全方位提升電子實踐能力。例如在2020—2021學(xué)年度上學(xué)期課程中，采用了專為初學(xué)者打造的FPGA入門工具—STEPFPGA開發(fā)板，基于Altera公司芯片，小巧攜帶方便，板載資源豐富（如下表所示），板卡集成了下載器，一根MicroUSB數(shù)據(jù)線即可完成開發(fā)板的供電與下載，配套文字資源也是十分齊全。在課堂講授的同時，通過實驗環(huán)節(jié)，便于學(xué)生構(gòu)建物理模型；在課下，學(xué)生可以隨時隨地開展自主探究實驗，有效拓展了課后作業(yè)的形式，有利于形成課上＋課下聯(lián)動學(xué)習(xí)的氛圍，便于培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力的和提高創(chuàng)新意識。3.圍繞案例開展小組研討。研討是對分課堂理念中不可或缺的重要組成部分，基于同伴學(xué)習(xí)的理念，設(shè)立小組，開展合作學(xué)習(xí)（3—5人一組），發(fā)揮學(xué)生幫輔的作用，相互督促。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合新技術(shù)、新方法的運用，開展研討活動，由教師提供擴展學(xué)習(xí)資料、提出問題，學(xué)生自主探索，并在此基礎(chǔ)上開展以小組為單位的合作研討，提高既定學(xué)習(xí)目標達成率。將平時表現(xiàn)納入最終的期末考核評價，考核中既有針對小組共性的評價標準，也有學(xué)生個人表現(xiàn)評價標準。4.結(jié)合線上注重個性學(xué)習(xí)。對分課堂不僅包括課堂重難點講授、小組研討學(xué)習(xí)，更充分利用信息化資源和手段，利用移動互聯(lián)網(wǎng)時代帶來的紅利，輔助以移動端的在線學(xué)習(xí)。雨課堂是一款清華大學(xué)和學(xué)堂在線共同推出的新型智慧教學(xué)工具，將信息技術(shù)融合于PPT和微信平臺[4]，能夠由后臺系統(tǒng)記錄細節(jié)性教學(xué)行為數(shù)據(jù)。因此選擇以雨課堂平臺為“器”，深入關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)成效。課前要求學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)完成雨課堂課前預(yù)習(xí)推送，在教師指導(dǎo)下完成課前基本概念、基本原理的自學(xué)，也可插入慕課視頻或其他網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，手機設(shè)置，同時在課件中設(shè)定的少量習(xí)題。教師通過雨課堂數(shù)據(jù)采集功能獲得課前預(yù)習(xí)反饋，如學(xué)生是否完整觀看PPT課件、觀看總時長以及完成時間等，通過該反饋了解每個學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。提倡學(xué)生課前深度學(xué)習(xí)，完成既定學(xué)習(xí)目標和課前測試，圍繞課中講授及研討，精準解決問題。教學(xué)結(jié)束后，對于傳統(tǒng)課堂，教師一般通過布置作業(yè)，學(xué)生上交作業(yè)本，批改作業(yè)，獲得教學(xué)反饋，但是該方式難以統(tǒng)計、記錄學(xué)生真實情況，此時可利用雨課堂對學(xué)生課后復(fù)習(xí)進展進行監(jiān)測。以PPT課件的形式推送單選題、多選題、計算題、主觀題等，總體上關(guān)注核心知識點的掌握，不必為難學(xué)生。設(shè)置時間、作業(yè)提交截止時間以及學(xué)生看到解答的時間，線上批改。雨課堂無須教師手動統(tǒng)計Excel，可以直接將學(xué)生測試成績、結(jié)果數(shù)據(jù)提供給教師端，如圖2所示，該數(shù)據(jù)使教師一目了然學(xué)生的參與情況、知識點的駕馭情況，為平時成績提供重要依據(jù)。在課后推送中，亦可加入相關(guān)知識點拓展，滿足不同學(xué)生學(xué)習(xí)需求，創(chuàng)新課后多元化作業(yè)，因材施教，注重學(xué)生個性化學(xué)習(xí)。

三、課程考核

按照課程改革的總體設(shè)計，本課程一直遵循“形成性考核和終結(jié)性考核相結(jié)合”的總體要求。在教學(xué)活動中展開實施“理論知識隨堂考，實踐能力全程考，綜合能力終結(jié)考”的具體做法，以學(xué)習(xí)成效為中心，促進學(xué)習(xí)效果的實質(zhì)性提升。在學(xué)習(xí)過程中，通過兩個途徑實施獎勵。一是對學(xué)習(xí)過程中學(xué)生表現(xiàn)出的個別優(yōu)秀的點予以充分表揚，力度要大，用詞要舍得的；二是在進入中后期階段，部分優(yōu)秀的學(xué)生脫穎而出，無論是態(tài)度還是成績，都很優(yōu)秀，此時給予實質(zhì)性獎勵，如當(dāng)堂宣布期末考試有相應(yīng)加分或者實物獎勵（口袋實驗室器材）。讓這部分學(xué)生不再為成績是否及格糾結(jié)，專注課程的學(xué)習(xí)，同時也示范給成績中下水平的學(xué)生，以此激勵。淘汰機制沒有效建立和運作起來的現(xiàn)階段，應(yīng)該引導(dǎo)和督促學(xué)生把主要精力放在學(xué)習(xí)知識培養(yǎng)能力方面。教師在實施過程中通過建立“預(yù)警機制”來督促學(xué)習(xí)，對學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的明顯成績落后不投入不努力不上心的學(xué)生，通過測驗、考核、提問、互動、關(guān)心等措施予以關(guān)心，促進其有效轉(zhuǎn)變。本課程考核評價中總成績由平時成績、實驗成績、期末終結(jié)性考核三部分構(gòu)成，各占比30%、30%、40%，平時成績又分為平時互動及線上雨課堂推送完成情況，其中平時表現(xiàn)的評價標準為是否積極參與教學(xué)互動、課堂展示，而是否能夠在規(guī)定時間內(nèi)完成基本實驗及綜合設(shè)計實驗則是學(xué)生實踐能力的重要評判依據(jù)。也就是說考核的每一項在總分中都占一定的比例，對最后的總成績都會有影響。考核并不等于考試，采取各種考核方式就是為了全方位多角度地督促學(xué)生學(xué)習(xí)，在這個過程中挖掘、鍛煉和提升學(xué)生思維能力、溝通能力、團隊協(xié)作能力等，同時考查學(xué)生對課程知識的掌握情況。

四、結(jié)語

對分課堂應(yīng)用于數(shù)字電子技術(shù)課程中，對課堂教學(xué)內(nèi)容做減法，精煉講授，拓展研討，配合實驗環(huán)節(jié)，可以使學(xué)生更加扎實掌握數(shù)字系統(tǒng)理論知識，對數(shù)字邏輯電路和數(shù)字系統(tǒng)有更深入的理解，具備大規(guī)模可編程邏輯器件進行數(shù)字電路設(shè)計和開發(fā)能力，具備解決實際問題的能力。加之移動端雨課堂平臺在課前及課后推送預(yù)先設(shè)計好的PPT，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集與統(tǒng)計，形成客觀而全面的評價。在實施過程中，不是僅僅丟給學(xué)生一堆學(xué)習(xí)任務(wù)，而是幫助學(xué)生制定好學(xué)習(xí)目標，告訴學(xué)生要訓(xùn)練什么能力；其次重點是指導(dǎo)學(xué)生如何進行數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習(xí)，具備可操作性和針對性，明確告訴學(xué)生應(yīng)該怎么做，對于培養(yǎng)學(xué)生良好的自學(xué)習(xí)慣，提升教學(xué)效果，是一次難得的機會。

作者:王肖君 吳蘇 朱旭芳 單位:海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院