工程教育认证背景下数字电子技术教学模式改革

2013-09-13秦怀宇

电子测试 2013年18期

秦怀宇，陈欢

（1.江苏科技大学,张家港,215600 2.无锡科技职业学院,无锡,214028）

1 工程教育认证背景下的数字电子技术课程重构

2013年6月，我国工程教育成功加入《华盛顿协议》。该协议成立于1989年，现有美国、俄罗斯、日本、韩国、加拿大、英国、澳大利亚等15个正式成员组织和德国、印度等5个临时成员，覆盖亚洲、美洲、欧洲、非洲、大洋洲。其宗旨是，通过多边认可工程教育学历，推动全球工程教育质量提升，促进工程技术人员跨国（境）流动。这是我国提升工程教育水平、与国际加快接轨的重大契机，但是改革现有教学方法的工作繁重、任务艰巨、时间紧迫。在重新审视数字电子技术课程的教学过程中，发现诸多不足。

工程教育认证的通用标准要求学生掌握工程基础知识和本专业的基本理论知识，具有系统的工程实践学习经历，具备设计和实施工程实验的能力，并能够对实验结果进行分析。数字电子技术作为电子信息与电气工程类专业的基础类课程，兼具较强的理论性和实践性。以往为了兼顾理论和实践，在培养计划中，将实验单独授课，实验项目以简单的验证性实验为主，辅以单元电路的设计性实验，缺点是忽视了课程的工程性，给人以理论与实践并重的假象。学生对课程缺少框架性的认识，知识结构与层次未建立起来。

针对上述问题，以工程教育认证的标准对数字电子技术课程进行了教学改革探索。从单纯向学生传授知识点的灌输式教育模式，向以学生为中心、项目驱动的教学模式转变。在传授知识点的同时，帮助学生站在项目的高度，贯穿、梳理知识架构；在实践过程中，实施多层次、立体化教学，实现理论与实践的有机结合。由此，学生在基础知识的理解、工程实践能力、团队协作能力等方面都有显著提高。

2 工程教育认证下的项目设计

以往教师注重知识点与技术理论的讲授，却忽视了“学以致用”的终极目标。而工程教育认证恰恰为这一目标设计，其核心要求是学生在大学毕业后，能够具备工程技术人才的基本素质。

在这一标准指导下，重新安排了现有课程体系和资源，将理论教学与工程实践有机结合，实现理论与实践的一体化教学。设计了项目驱动的教学模式，精心设计实验项目，在理论课上进行项目导入、构思，在实验课上进行分模块、分层次实施，并开展项目小组团队协作、创新实践，使学生全面、系统掌握各个知识点的内涵及其相互关联。

以“数字交通灯”为例，引导学生进行项目设计、制作。该项目要求设计一套十字路口交通灯，不仅具备基本的交通指示功能，还具备急车强通、交通异常等功能。项目设计可从交通灯显示开始，再将其他模块逐个完善。整个流程需用到门电路、组合逻辑、时序逻辑等内容，运用多种实验方法实现，如下表所示。

表1 “数字交通灯”项目设计

实践设计目标具体如下：

第一阶段目标。用锁存器和门电路实现交通灯亮灭，用指示灯标明通行规则，这里需要触发器与控制逻辑的知识点。

第二阶段目标。在第一层次的基础上，增加数码管时间显示功能。此目标有助于培养学生综合利用部分知识点解决问题的能力。

第三阶段目标。在前两个层次的基础上，增加倒计时功能，即根据主干道绿灯通行45秒、支干道绿灯通行30秒、黄灯缓冲5秒的规则，使数码管与发光二极管同步显示。此部分需要用到计数器、脉冲发生器、单稳态触发器等知识，有助于学生建立数电中的重要概念——时序。

第四阶段目标。在前三层次的基础上，增加急车强通开关控制。如有急车来时，将急车强通开关接通，无论原来交通灯如何运行，一律让急车来车方向绿灯亮，为急车放行，直至急车通过。急车一过，断开强通开关，随后按正常时序控制。这部分需要设计去抖电路，以增强系统可靠性。

第五阶段目标。对交通异常情况进行控制。比如，在现实生活中的交通可能会出现东西方向的车辆过多发生堵塞，而南北方向车辆却很稀少。这时正常的信号灯时序将会使交通状况更加恶化。这部分的处理方式是由传感器根据外界实际情况来对信号灯控制，即增加拥堵道路绿灯通行时间。

第六阶段目标。这是最高层次，鼓励学生用先进技术解决实际问题，如用CPLD/FPGA实现交通灯的控制。

在以上层次的基础上，设计电路板，完成作品。

这些影响选型的因素可归类为目标环境(平台、性能和UI交互)、成本约束(成本、研发周期)、业务需求(业务类型、更新频度)和技术储备(团队储备、社区资源)等，开发团队需根据需求识别出核心的影响因素，选定应用类型，进而综合考虑其他因素，参照选型策略参考模型选择开发模式和具体的实现技术。

这样，随着课程的深入、知识的积累，在基本项目中不断加入新功能，对系统的完整性和实用性不断提出更高的要求，有助于为学生提供更多自主学习的空间。

3 以项目为导向的教学实践

项目为导向的教学实践，以培养具有相当理论基础的工程实践人才为宗旨，在重视理论知识的同时，加强对学生的实践能力培养，形成“教”与“学”的一体化模式。

3.1 项目贯穿理论教学始终

从数字电子技术的第一节课，就提出交通灯控制的课题，有助于学生认识该门课程的作用，明确学习目的。教授基础理论时，向学生提出相关设计目标，鼓励他们积极思考、查阅海量资料。例如，在讲解完门电路相关知识以后，提出如何设计一组二极管发光电路，要求满足交通灯显示逻辑。此时，可以现场布置课堂作业，用电路仿真软件仿真其显示效果。学生在这一仿真过程中，可以很好的理解门电路，掌握典型门电路的设计。然后，数码管显示问题就自然形成，从而引出编码器、译码器的知识点，进而延伸到整个组合逻辑电路。交通灯已初具雏形，为了达到计时、存储的目的，又用到锁存器和触发器的知识。学到这里，可以引导学生发现存在的问题，即发光二极管显示与数码管显示的时间关系，让其明白该处可谓整个项目的重中之重，当然也是数字电路的核心，从而拉开时序逻辑电路学习的大幕。随着课程的深入，各个知识点不断扩充，项目功能一一实现，使学生在多层次目标的完善中，建立起了知识架构，为实战打下坚实的理论基础。

3.2 实验教学中项目的启动与运作

在实验教学中，坚持验证性实验与设计性实验相结合，并将不同目标的层次融入到实验中。学生根据实验设备及要求，独立思考、查阅资料、提出实验方案，充分利用EDA 工具对实验方案进行分析、完善，提高实验成功率。

在实际动手过程中，充分发挥学生的主观能动性、调动其创造性、呵护其学习热情，允许犯错，并从失败中找出成功的经验。例如刚开始使用Multisim软件仿真电路时，学生还没有建立起性价比、体积和可靠性等工程设计理念，电路虽达到要求，但使用到很多种类和数量的器件，甚至还设计出一些通用器件，因此在安装、调试的时候，面对如此繁杂的电路，往往一筹莫展。经过这一过程，使学生逐步认识到项目设计中不仅要考虑到功能性，还应综合考虑成本、体积、性能等多种指标，从而积累宝贵的工程经验。