IACI-CDIO理念下项目驱动的数字逻辑实验教学改革与实践

李 文， 黄 文， 尹向东， 伍铁斌

(1.湖南科技学院计算机与通信工程系，湖南 永州 425199;2.中南大学信息科学与工程学院，湖南 长沙 410083)

0 引言

CDIO是21世纪初以美国麻省理工学院为首的全球众多高校提出并倡导的现代大学工程教育理念和实施框架，即构思(conceive)、设计(design)、实施(implement)、运作(operate)[1-3]。它以工业产品生命全过程为载体注重培养学生的工程能力，将教育过程在工程领域的具体情境中实施，培养学生掌握扎实的基础理论及专业知识的同时，提高其团队协作和创新实践能力，使其成为新一代高水平工程技术人才。CDIO工程教育理念，为我校培养高级应用型人才提供了借鉴方法[4-6]。

在此新理念下，将其应用于指导数字逻辑实验课程的教学。但对于一门具体课程来说，需要结合自己的教学实际情况制定符合课程CDIO能力培养的目标和方法。数字逻辑实验课程具有较强的理论性，又具有较强的实践性。为此，我们依据CDIO基本理念，提出了基于IACI-CDIO的教学改革方案，IACI-CDIO是将学生探索兴趣(Interesting)、工程能力(Ability)、团队协作(Cooperation)、应用创新(Innovation)融入到项目研发的CDIO过程中，形成一个以“项目为中心、教师为主导、学生为主体、CDIO培养为基本特征”的新型教学方法，实施了“做-学-悟”三维一体立体式教学，且将实验贴近工程实践及以学生为主体的多层次多目标教学，以促进专业教学适应新形势下的要求。

1 课程分析及其教学中存在的问题

数字逻辑实验课程是信息类专业重要的专业基础实验课程，担负着巩固并升华理论知识，培养学生对数字系统的分析设计能力、工程实践能力和创新能力的重任，为后续相关课程打下牢固的硬件基础，在专业教学中具有至关重要的地位。特别是在我校卓越工程师培养计划下，实验课程对学生动手能力的培养与工程意识的培养作用就更加重要。

数字逻辑实验课程的特点是:①数字逻辑实验课程是一门抽象且具体的课程。抽象性表现在逻辑问题的提取和描述上，具体性表现在逻辑问题的实现上。②理论知识和实践应用紧密结合。该课程各部分知识与实际应用直接相关，实践中要求学生对理论知识进行综合运用，能够学会设计一些典型的数字电路，真正培养解决实际问题的能力。③ 逻辑设计实现方法多样。许多问题的处理没有固定的方法和步骤，很大程度上取决于操作者的逻辑思维推理能力、知识广度和深度、以及解决实际问题的能力。

数字逻辑实验课程教学中存在的问题:①在教学内容上，实验中验证性的内容比重很大，综合性设计性内容较少且有其形无其神，这使得学生不能主动地去思考和探索，进而失去学习兴趣。②在教学方式上，很多教师整堂课以教师为中心，将实验的内容、要求、步骤、电路连接、可能出现问题及解决方法等事先讲授给学生，这样学生只能“依葫芦画瓢”式勉强只会其形式，根本上失去实验的精髓和神韵。学生分析问题、解决问题的能力无从谈起，更不要说创新精神的培养。③在实验项目及实现方案的选择上，一些教师以传统实验为主，扩展性不足，课程之间联系不够，使学生无法与实际工程项目接轨，不能很好地解决实际问题。④在实验实践环节上，一些教师只授人以鱼而不授人以渔，忽视实验实践各环节，致使学生在面对具体工程应用问题时无从下手。

近几年以来，针对目前数字逻辑课程存在的问题，提出了基于IACI-CDIO的教学改革方案，做出如下具体教学改革:

(1)课程体系设置上，改革了实验课程与相关理论课程的关系，从原来的“从属关系”改为“依存关系”独立设课、独立考核和单独记录学分;

(2)在学时及时间安排上，增加实验课时合理安排实验与理论的进行时间;

(3)在实验项目选取上，兼顾基本实验方法与技能训练的要求，仅保留极少数验证性实验，采取典型实用项目作为综合设计性实验;

(4)在教学方式上采取项目驱动式多层次多目标教学方法，形成一个以“项目为中心、教师为主导、学生为主体、CDIO培养为基本特征”的新型教学方法;

(5)实行严格的实验预习检查、进度跟踪及科学的实验指导及考核方式。

实施了“做-学-悟”三维一体的立体式教学，将实验贴近工程实践及以学生为主体针对不同的个体采取多层次多目标教学，来适用于生源质量相对不高、学生间差距明显的一般本科院校。

2 基于IACI-CDIO的项目驱动教学

基于CDIO工作过程的项目驱动教学法[7-9]以培养学生的工程应用能力为目标，将教学大纲规定的知识点引入到项目中，教师指导全程并跟踪、落实学生的执行情况。在CDIO工程实践过程中，教师的教学思维采取“自上而下”的工程设计理念，由工程设计真实情境，先给出整体的工程概念，由整体到局部，由工程所涉及的专业知识到专业知识所涉及的课程及课程间的基础知识，做到“从做中学，从学中悟”，解决目前大部分学生认为学习专业课程无用的心理盲目状态。在IACI-CDIO工程教育理念的指导下，我们采取了以能力培养为宗旨的项目驱动教学方式，精心设计了实验项目，在理论课上进行项目的引入，在实验课上进行项目的多层次设计、实施、运作，在课外兴趣小组进行扩展延伸创新实践，使学生全面、系统地掌握各个知识点的内涵和关联，有效地提高了各项能力。

2.1 IACI-CDIO理念下项目设置

大学的课程教学低层次目标是使学生掌握课程所涉及的专业知识和相关技术，高层次目标是让他们在学习的过程中得到学习能力的培养和提升以适应不断更新的知识和技术要求。IACI-CDIO的核心思想就是强调探究兴趣的激发，强调自学能力的培养，强调团队分工协作，强调应用所学知识解决工程实际问题，在实际工程项目中有所创新。让学生在工程实践的真实情境中以主动的、实践的、课程之间相互交叉关联的方式学习，参与整个工程构思、设计、实施以及运作过程，从而获得对工程项目整个生命周期的全面认识，在探索兴趣、工程能力、团队协作、应用创新4个层面达到预定目标，使其毕业后能更快地融入社会，更好地满足社会对工程技术人才的需求[10-11]。

项目驱动的教学方式是以做项目为中心来组织课程教学。因此，选择具有系统性及代表性的工程项目，以突出项目训练的完整性，使学生在做项目的过程中学习必要的知识。“带显示的数字抢答器设计”项目是一个典型的例子，该项目要求设计一个抢答器，当主持人允许抢答后，能够自动辨认第一时间按下抢答按钮的选手并显示。项目的设计可以从最基本的抢答功能开始直至贴近实用、功能完善，此项目实施过程涉及数字逻辑课程的绝大部分知识点，形成了“做-学-悟”三维一体立体式多层次、多目标教学。如表1所示。

表1 带显示的数字抢答器实验项目层次设置

2.2 IACI-CDIO理念下项目引入

在课程介绍时用现实生活中可实现的典型应用电路为例，来增强学生对课程的第一印象，同时把精心设计的实际生活中的典型应用实例项目“带显示的数字抢答器设计”引入课堂，来激发学生对课程知识的探究兴趣。合理搭配理论与实验的交替进行时间安排，在不同的时段适时的提出相应层次的项目实现要求，做到理论中有实践，实践中有理论，使理论与实验成为相互统一的整体。例如，在讲解中规模集成电路的编码器、译码器及显示器相关知识以后，提出如何设计一个电路，其中有4个按钮作为输入，当分别按下不同按钮的时候，发光二极管显示相应按下的按钮号码;在讲解时序逻辑电路单元的触发器、锁存器的相关知识后，与实际抢答器比较继续完成功能，利用触发器记忆功能和反馈逻辑控制的概念就能够实现具有基本功能的抢答电路，由此加深组合电路和时序电路的区别;在学习时序电路集成芯片计数器和555定时器等知识后，在项目工程设计的完整性和实用性要求上也不断提高，根据要求逐层深入使学生在“做-学-悟”三维一体立体式多层次多目标教学的递进过程中，激发探索兴趣，建立知识关联架构，提高工程应用及设计能力。

2.3 IACI-CDIO理念下项目实施

项目驱动的教学实施是从IACI-CDIO的构想出发，以能力培养为宗旨，树立以项目为中心，以学生为主体、以教师为主导的观念，实现理论和实践一体化教学。提前下达实验要求，鼓励学生课外积极思考、勇于探索，在众多知识中比较、鉴别，准确提取相关知识分析问题、解决问题。在实验教学过程中，不同阶段针对不同层次的实验目标，提供不同的实验实现平台。学生根据具体的实验平台及目标要求，课外独立思考、查阅资料、提出实验方案。

具体操作过程就是学生能力培养和提高的关键，改变传统课内完成实验并给出成绩的惯例，适当提供给学生以宽松的气氛，让学生思维活跃，勇于开拓创新，且允许失败，并从失败中找出正确的方法，建立工程观念。例如，学生使用Multisim仿真平台设计电路时，缺乏参数选型、性价比、体积和可靠性等工程设计概念，通过出错、失败使其认识到，在实际工程设计的时候需要考虑的诸多因素，积累了一定经验。项目实施分阶段、多层次、多目标，由易至难循序渐进，且具有很好的工程应用价值。具体分为以下4个阶段:① 构思阶段。每个项目实施时，教师先规定项目要求，分析一些涉及本项目的关键知识点。② 设计阶段。学生课外查找资料，进行软件仿真，并在开放实验室制作与任务相关的硬件电路，期间教师定期解答学生设计过程中的问题，对个别有困难的学生进行重点指导。③实施阶段。学生课内自行调试、测试硬件，互相交流，完善系统的设计。根据实验现象、结果撰写综合设计性实验报告。④ 运行阶段。高层次目标由各小组选代表进行答辩，演示自己的作品，交流自己的心得体会。教师总结项目设计过程中的普遍性问题，讲授经验教训，教师对学生的项目完成情况进行考核评定。

2.4 IACI-CDIO理念下项目扩展延伸

在提高和进阶层的要求中，学生可组成小组共同合作，在开放性实验时间或开放实验室完成实验。指导教师指导学生完成实验方案的选择、任务的分配、模块的设计及实施，并指导学生把整个项目的目标、模块设计、现象观察、结果分析、总结按照综设性实验报告的格式写出并上交存档，把项目作品的使用方法按照产品说明书的形式写出并上交存档。

各小组派遣一名代表进行最后演示答辩，教师所提问题可以由小组成员共同回答。教师最后就各小组的情况进行总结分析，分析各小组中做的成功的地方以及不足的地方，提出现实生活中其他的项目(如交通灯、篮球24秒违例显示报警电路)以及与本项目的共同之处(含振荡、分频、计数、译码、显示等模块)供学生思考。进一步引导大家思考工程实现的其他方法，比如微机控制、单片机控制、嵌入式控制等，为后续课程学习打下伏笔。

2.5 IACI-CDIO理念下项目考核

对每个学生完成的项目，教师从如下4个方面对其进行考核:①完成的层次水平;② 硬件电路焊接工艺;③项目总结报告的内容与格式;④ 硬件的整体演示效果及答辩综合表现。

学生的课程总评成绩由平时和期末考试成绩组成。其中平时成绩占50%，包含考勤、项目成绩和答辩成绩;期末考试成绩占50%，包含Multisim计算机仿真操作(占25%)和仿真制作(占25%)。

教师只要在项目引入、实施、扩展延伸、考核评价各环节进行严格跟踪把关，学生就可以在完成项目的过程中既学会硬件设计、制作，又掌握如何撰写项目报告，同时在答辩环节锻炼自己对知识的表达能力。项目的实施涵盖了许多工程设计方法，结合利用电子电路仿真技术的新工具、新方法，从多层次多目标完成带显示的数字抢答器的设计，并在设计、连接、调试及焊接过程中，学会组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计方法，在强化基本操作技能的同时，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力和创新能力，领悟工程设计理念、系统观念、全局观念，使学生在完成项目的过程中达到综合能力提高的目的。

3 结语

数字逻辑实验是学生动手能力的培养与工程意识的培养重要的一环。本文把IACI-CDIO的思想引入数字逻辑实验课程，对课程体系和教学内容进行删减、更新，同时依据课程间的内在关系，构建了与后续课程具有良好延续性的多层次的实验体系[12-14]。在实践中采用项目驱动式实验教学模式来激发学生的探究兴趣和创新精神，使学生通过课程学习和实践，掌握现代数字逻辑电路的分析和设计方法，为后续课程准备必要的数字电路知识和设计技能，进而培养学生系统设计能力、分析问题和解决问题的能力，同时培养和提高了学生的创新意识和创新能力。从教学效果看，通过引导学生自主学习，形成“理论实践统一、课内、外统一、讲授与学习统一”，学生的学习积极性大大提高，并在知识点的理解、知识结构的掌握、扩大视野、工程实践能力以及团队交流能力都得到明显提高。

新教学思想的实施，使得教师的教学能力、水平也获得较大进步，教师的综合业务素质得到增强，形成师生教学互长。但要切实保证教学效果需从以下四个方面做出相应要求:① 实验室建立完善的开放管理制度。科学的实验室管理与开放，是新教学方式顺利实施的有力物质保障;② 制定科学、严谨的教学档案。教学档案资料能够全面、客观地反映教与学双边活动的全过程，是专业培养的有机组成部分。教学档案应有4个部分:课程大纲、实验与项目指导书、学生实验报告、实验室开放记录及指导记录。③提高教师业务素质转变教师职能。作为一种全新的教学方法，IACICDIO工程教学模式下项目驱动教学更注重教师在方法实施的过程中起着重要作用，随着教学方法的改变，教师的业务素质及核心职能也应顺之发生变化。教师应选取系统性、典型型且能逐层深入梯度式展开培养学生的项目，要设立与教学相适应的教学环境，让学生在真实的工程任务中解决问题。要努力使自己成为一个集教师、项目需求者、项目设计者、项目管理者以及项目评估者于一身的综合角色[15]。④ 政策资金的支持。新的教学模式下将围绕项目的开展花费更多的人力、物力、财力和智力，需要在物质上和精神上给予适当的政策保障。

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