數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革范文

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摘要：

針對(duì)硬件課程實(shí)踐環(huán)節(jié)在提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力上效果不理想、課程之間銜接不好等問(wèn)題，基于CDIO工程教育理念，結(jié)合“try”教學(xué)方法，基于數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，提出一種新的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：

CDIO；教學(xué)模式；實(shí)踐環(huán)節(jié)；課程銜接

由麻省理工學(xué)院等4所大學(xué)創(chuàng)立的CDIO工程教育理念，是繼承和發(fā)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(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)測(cè)評(píng)。它以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式來(lái)學(xué)習(xí)工程的理論、技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)[1-2]。數(shù)字電路設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)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(shù)字電路設(shè)計(jì)的教學(xué)中沒(méi)有考慮好與后續(xù)課程在理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容上的銜接，則容易導(dǎo)致學(xué)生在后繼課程的學(xué)習(xí)中遇到困難[3]。

1數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)條件和教學(xué)現(xiàn)狀

（1）社會(huì)對(duì)軟件人才的需求量遠(yuǎn)大于對(duì)硬件人才的需求量，學(xué)生出于就業(yè)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(shí)踐環(huán)節(jié)大都是驗(yàn)證性的，缺乏探索性，不利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，從而打擊了學(xué)生學(xué)習(xí)硬件課程的積極性，導(dǎo)致學(xué)生形成“好軟怕硬”的思想。（3）傳統(tǒng)教學(xué)模式是教師課堂講授，適當(dāng)結(jié)合驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生學(xué)完理論、做完實(shí)驗(yàn)后，仍然缺乏解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力、工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力[4]。傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端導(dǎo)致在與計(jì)算機(jī)組成原理等后繼課程的銜接中，學(xué)生不能從系統(tǒng)的高度認(rèn)識(shí)數(shù)字邏輯[3-5]。（4）計(jì)算機(jī)學(xué)院開(kāi)設(shè)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)組成原理等課程，采用同一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在一定程度上能讓學(xué)生的學(xué)習(xí)具有連續(xù)性。（5）自創(chuàng)的“try”教學(xué)方法可適用于數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程及實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)[6-8]，但由于算機(jī)組成原理和數(shù)字電路設(shè)計(jì)兩門課程的內(nèi)容和要求不同，“try”教學(xué)方法在應(yīng)用于后者時(shí)，應(yīng)有所調(diào)整。

2數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)改革方案

2.1實(shí)踐環(huán)節(jié)的層次設(shè)計(jì)為了獲得更好的教學(xué)效果，教師探索了各種方法，其中有案例法、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法等[9-12]。從實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)驗(yàn)手法、課程整合等不同角度來(lái)提高實(shí)踐環(huán)節(jié)質(zhì)量[13-14]也能夠有效提高教學(xué)效果。比較上述方法后，考慮與后續(xù)課程的銜接等因素，根據(jù)CDIO標(biāo)準(zhǔn)3、5、7的要求，結(jié)合自創(chuàng)的“try”教學(xué)方法，我們將數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)分成兩個(gè)層次，從最簡(jiǎn)單的門級(jí)電路編程開(kāi)始，難度由低到高、循序漸進(jìn)，最終讓學(xué)生完成源于實(shí)際案例的綜合實(shí)驗(yàn)，初步具備實(shí)際工程能力。表1從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、教學(xué)方法等7方面對(duì)基本實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。在教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)的主要障礙不是掌握理論方法，而是缺乏理論知識(shí)和實(shí)踐問(wèn)題認(rèn)知的溝通[11]。因此，我們?cè)诶碚摻滩闹羞x擇15個(gè)知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)成相關(guān)的任務(wù)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如全加器、表決器等，采用“try”教學(xué)方法并結(jié)合任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)手多嘗試，通過(guò)任務(wù)、查資料、仿真、實(shí)物驗(yàn)證、教師驗(yàn)收、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告和總結(jié)這7個(gè)步驟完成對(duì)15個(gè)理論知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。為了進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)際工程能力，基于科研項(xiàng)目，貼近實(shí)際生活，我們編寫了自動(dòng)售貨機(jī)、出租車計(jì)費(fèi)器、電梯控制器等6個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用分組方式，每組學(xué)生自行選擇一個(gè)題目，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成該綜合實(shí)驗(yàn)。綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程一般包括：教師項(xiàng)目及要求、學(xué)生分組并認(rèn)領(lǐng)項(xiàng)目、組內(nèi)分工、查資料、設(shè)計(jì)方案、論證可行性、學(xué)生在宿舍仿真、學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室的硬件開(kāi)發(fā)板上實(shí)物驗(yàn)證、教師驗(yàn)收、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)答辯、成績(jī)?cè)u(píng)定等13個(gè)環(huán)節(jié)。教師在項(xiàng)目要求的時(shí)候，只給出最基本的要求，學(xué)生在設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以自行擴(kuò)充，也就是說(shuō)，同一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)題目，其設(shè)計(jì)可繁可簡(jiǎn)，不同學(xué)生設(shè)計(jì)的電路可能會(huì)不一樣。

2.2實(shí)踐環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建根據(jù)CDIO標(biāo)準(zhǔn)11，構(gòu)建了實(shí)踐環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)體系。

2.2.1基本實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法基本實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)是：①時(shí)限；②工作量；③完成質(zhì)量；④驗(yàn)收程序；⑤實(shí)驗(yàn)報(bào)告。其中①、②、④、⑤考核了學(xué)生的個(gè)人能力和表達(dá)能力，指標(biāo)③、④、⑤考核了學(xué)生的專業(yè)知識(shí)、建造產(chǎn)品和系統(tǒng)的能力。對(duì)這5項(xiàng)指標(biāo)加權(quán)平均得到該基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分?jǐn)?shù)，如式1所示，其中Sj表示某個(gè)基本實(shí)驗(yàn)的得分，Ki表示某個(gè)考查指標(biāo)的系數(shù)，Mi表示在某個(gè)考查指標(biāo)上的得分。由15個(gè)基本實(shí)驗(yàn)的得分累加后除以15，得到基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的總得分，如式2所示，其中BS表示基本實(shí)驗(yàn)的總得分，Sj表示某一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)的得分。

2.2.2綜合實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法綜合實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)是：①時(shí)限；②查資料的能力；③實(shí)驗(yàn)方案；④創(chuàng)新性；⑤設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；⑥完成質(zhì)量；⑦團(tuán)隊(duì)合作能力；⑧工作量；⑨驗(yàn)收；⑩實(shí)驗(yàn)報(bào)告；實(shí)驗(yàn)答辯。其中①、②、⑤、⑦、⑧、⑨、⑩、項(xiàng)考核了學(xué)生的個(gè)人自身能力、探究能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和表達(dá)能力，指標(biāo)③、④、⑤、⑥、⑨、⑩、考核了學(xué)生的專業(yè)知識(shí)、建造產(chǎn)品和系統(tǒng)的能力。修改式1可對(duì)這11項(xiàng)指標(biāo)的得分加權(quán)平均，從而得到綜合實(shí)驗(yàn)的分?jǐn)?shù)。

2.2.3實(shí)踐環(huán)節(jié)最終成績(jī)?cè)u(píng)定辦法及選優(yōu)措施實(shí)踐環(huán)節(jié)總評(píng)成績(jī)由基本實(shí)驗(yàn)成績(jī)和綜合實(shí)驗(yàn)成績(jī)兩部分加權(quán)平均得到,從工作量及投入時(shí)間方面考慮，一般建議兩者各占50%。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)情況和成績(jī)，特別是綜合實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)，向各相關(guān)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室推薦優(yōu)秀本科生，使他們有機(jī)會(huì)加入科研項(xiàng)目組，參與教師的科研工作。

3實(shí)施效果及分析

為檢驗(yàn)課改成果，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套課程評(píng)價(jià)系統(tǒng)，包括一套具有反向題的學(xué)生調(diào)查問(wèn)卷、學(xué)評(píng)教的數(shù)據(jù)、學(xué)生的理論課成績(jī)單、實(shí)踐環(huán)節(jié)成績(jī)單、一套后繼課程教師評(píng)價(jià)學(xué)生掌握先修課程知識(shí)的調(diào)查問(wèn)卷、一套學(xué)生所在學(xué)科實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)該生的調(diào)查問(wèn)卷等。評(píng)價(jià)系統(tǒng)還包括對(duì)這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在CDIO模式基本實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)上，學(xué)生滿意度達(dá)到81.6%，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)考核方法等方面，學(xué)生滿意度達(dá)到97.4%，比傳統(tǒng)模式提高了20幾個(gè)百分點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)表明，新教學(xué)模式比傳統(tǒng)模式更能激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，促進(jìn)他們較大幅度地提高項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手編程能力、團(tuán)隊(duì)合作能力。我們將2013級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生分成兩組，采用相同的教學(xué)資源和不同的教學(xué)方式分別授課，一組采用新模式教學(xué)，另一組采用傳統(tǒng)模式教學(xué)。經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)，2015年1月數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程理論考試中，在試卷相同的情況下，新模式組成績(jī)優(yōu)良率達(dá)到52.9%，比傳統(tǒng)模式組高24個(gè)百分點(diǎn)；新模式組不及格率為15.7%，比傳統(tǒng)模式組低15個(gè)百分點(diǎn)；新模式組平均卷面成績(jī)?yōu)?8分，比傳統(tǒng)模式組高6.1分。由此可知，基于新標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合“try”方法的新教學(xué)模式能夠提高實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量，切實(shí)促進(jìn)學(xué)生深入理解理論課的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，有助于學(xué)生更好地完成課程銜接，為學(xué)生后繼課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。追蹤這些學(xué)生后繼課程的學(xué)習(xí)情況，統(tǒng)計(jì)2015年6月計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)期末考試成績(jī)后發(fā)現(xiàn)：原新模式組優(yōu)良率達(dá)到80.3%，比傳統(tǒng)模式組高25個(gè)百分點(diǎn)；原新模式組不及格率為0，比傳統(tǒng)模式組低21個(gè)百分點(diǎn)。計(jì)算機(jī)組成原理課程理論考試中，原新模式組平均卷面成績(jī)?yōu)?8分，比傳統(tǒng)模式組高5分；原新模式組不及格率為17.4%，比傳統(tǒng)模式組低5個(gè)百分點(diǎn)。此數(shù)據(jù)表明，數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)采用新教學(xué)模式教學(xué)有助于學(xué)生對(duì)后繼課程的學(xué)習(xí)，特別是實(shí)踐環(huán)節(jié)成績(jī)有了大幅提升，不及格率也明顯下降。

4結(jié)語(yǔ)

新教學(xué)模式基于CDIO理論，結(jié)合“try”教學(xué)理念，將數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)兩個(gè)層次,并包含了配套的成績(jī)?cè)u(píng)定方法和課程評(píng)價(jià)系統(tǒng)。實(shí)踐證明，新教學(xué)模式能夠更好地促進(jìn)課程銜接，有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)探索的精神和能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、溝通交流能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。改革的下一步，是根據(jù)每一門課的特點(diǎn)，把基于CDIO理念的教學(xué)模式推廣到課程群其他課程的教學(xué)中去，以期從課程層次化、課程間網(wǎng)絡(luò)化等多角度、多層面地把學(xué)生培養(yǎng)成為優(yōu)秀的工程技術(shù)人才。

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作者：章復(fù)嘉 馮建文 俞岳軍 吳小開(kāi) 單位：杭州電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院