基于OBE的“数字电子技术”课程改革初探

杨春玲, 朱　敏

(哈尔滨工业大学 电气工程系， 黑龙江 哈尔滨 150001)

0　引言

2016年，我国成为《华盛顿协议》正式成员。《华盛顿协议》要求正式成员遵循：①工程教育认证体系和程序在成员之间是等效的；②认证所采用的毕业生标准实质等效于协议中的毕业生素质要求。由于工程教育认证协会(ABET)将成果导向教育OBE(Outcome based education)的理念全面贯穿于工程教育认证标准，因此需要我们开展基于OBE认证的研究工作。基于OBE的认证要求自顶向下地根据需求制定培养目标、提出相应的毕业要求、构建课程体系、课程目标，最终达成学习成果[1, 2]。鉴于此，作为OBE底层的课程改革势在必行。

目前，电子技术已经渗透到工程领域的各个学科，现代工业技术的发展依赖于电子技术的飞速发展。对于电气工程、自动控制、仪器科学与技术等电类专业的毕业生而言，掌握最新的电子设计方法是一项基本要求。

国内各个高校电子技术教学通常由两门课程支撑，即“数字电子技术”和“模拟电子技术”。我校以“数字电子技术”课程为试点，开展了基于OBE的课程改革与实践，取得一定经验，供大家借鉴。

1　课程的具体达成目标

按着OBE设计一门课程，首先我们应该思考这门课程应该使学生达成什么样的成果，即想让学生取得的学习成果是什么？为什么要让学生取得这样的学习成果？如何有效地帮助学生取得这些学习成果？如何知道学生已经取得了这些学习成果？

近几年数字电子技术已经进入电子设计自动化(EDA)时代，每3年EDA技术就更新一次。因此，“数字电子技术”课程的具体达成目标应该包括数字电子器件及最新数字电路设计方法。数字电子器件包括中小规模数字器件及大规模集成数字器件；设计方法包括自底向上的基本设计方法和最前沿的EDA设计方法。目前工业应用的数字电子器件几乎都由大规模集成电路可编程逻辑器件实现，其相应的设计方法就是采用EDA自顶向下设计方法。另外该课程的另一特点是实践性强，要求学生掌握“根据设计要求-开展设计-实际制作-实验调试-修改设计-最终形成满足设计要求的数字电路产品”的数字电路设计全过程。针对如何帮助学生完成课程的具体达成目标，取得学习成果，我们为此开展了教学改革与实践。

2　教学手段先进性

为了实现课程目标，光依靠课堂教学是远远不够的。需要采用先进的教学手段将问题带出教室开展数字电路设计工作。因此需为学生提供相应的方便的课外实验平台，我们调查了美国、加拿大部分大学的数字电子技术课外实验系统，包括麻省理工大学(Massachusetts Institute of Technology, MIT)、斯坦福大学(Stanford University)、伊利诺州立大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)、密西根大学(University of Michigan-Ann Arbor)、加拿大多伦多大学(University of Toronto)等。这些大学的数字电子技术课程都使用国际两大著名半导体公司ALTERA和XILINX的实验系统。因此我们通过大学计划项目以优惠的价格购买了XILINX的便携式实验系统BSYS，用于全校该课程的教学改革，每年全校大约1000人选修这门课程。该系统小巧轻便，不足一本书大小非常便于学生携带，被形象地称为口袋实验箱。主芯片为XILINX的FPGA芯片，外设包括拨码开关、时钟输入、发光二级管及数码管。可以开展包括EDA设计在内的数字电子电路设计课外实践活动。通过此实验箱学生可以将课堂延伸，自主便捷地开展数字电路的实践活动，进而更好地掌握数字电路设计方法。

3　教学方法多维化

教学活动包括教与学两个方面，教师既是知识的传输者也是学生的指导者。引导学生从知识的被动接受者变为知识的主动建构者也是课程目标达成的关键。教师努力营造“敢想、敢说、敢问、敢试” 的学习氛围, 为学生思考、探索、发现和创新提供最大空间。所以本课程教改的一个重点是采取混合式教学模式，其包含的内容有：

(1)研究报告的撰写。课程安排了一些学生自学内容，要求学生学习后撰写研究报告。例如，在讲述EDA的基本概念及内涵之后。要求学生撰写EDA技术的国内外研究现状及分析报告。学生通过查阅资料从不同角度全面地了解EDA技术的发展。通过比较，学生了解到我国EDA技术与国际前沿的差距，高精度大规模集成电路创新人才缺乏，一些军事、民用装备技术核心处理器受制于人，发展受限。因此会激励学生要学好数字电子技术、探索数字电子技术前沿科学领域的意志。由于学生是通过自己的方式寻找第一手材料完成的报告，因此掌握的信息量大、记忆深刻。

(2)复杂趣味实验演示环节。教师通过演示实验向学生展示数字电路的精妙设计，从而激发学生学习兴趣。例如：给学生演示了通过国际化联合实验室的引入的模仿美国工程类顶尖名校伊利诺伊-香槟分校的桌面弹球游戏实验。另一个演示实验是我校2011年亚洲创新设计大赛海峡两岸总冠军作品：5阶魔方机器人还原系统，该系统可以实现5阶魔方的自动还原。将这些演示实验穿插在课堂教学中，活跃了课堂气氛，开阔了学生视野。同时鼓励和引导学生开拓思路，寻找选题，参加电子设计相关大赛。这些实验演示教学活动收到很好效果。在2015年秋选修这门课程的学生中，多名学生在课程结束后报名参加了全国2016年ALTERA亚洲创新设计大赛及全国大学生电子设计大赛。

(3)在线学习内容设计。为了使学生快速掌握BSYS实验箱结构及实验流程，我们录制了实验讲解录像、编写了详细的实验指导，学生按着实验指导步骤操作就可非常容易地完成实验。受“翻转课堂”教学的启发，本课程在互联网考试库平台上建立了相应的班级空间，上传上课的课件PPT、实验箱讲解录像、自编的实验操作步骤等资料和几百道自测试题。学生可以随时随地通过手机或电脑进行在线学习和测试，大大方便了学生的学习，受到了学生的欢迎和好评。考试库平台还设有学生和教师交流区，学生可以将遇到的问题通过这个平台与教师交流。

(4)学生课外实验及课堂演示。当课程开始进入逻辑电路学习后，对于典型的逻辑电路要求学生课外通过BSYS口袋实验箱进行实验研究。课上布置设计题目，对那些想法奇特或完成情况好的同学，邀请他们上课时到讲台上演示实验结果并进行讲解。通过示范作用，激励其他同学。一学期以来，学生们以极大的热情参与到这项活动中。不断有学生课后联系教师，求教课后实验中遇到的问题，并积极参与课上演讲。

(5)自主设计大作业。课程还安排了一个自主设计大作业，要求学生自拟题目完成设计并基于便携式实验箱完成设计，教师一对一进行面试验收，根据题目的难易程度及完成情况计分，并计入期末总成绩。学生很乐意投入，有些学生选择了多位计数、译码、显示电路设计和运算电路实验；还有一些学生选择的题目难度较大：如自动售货机、交通灯控制、数字钟电路等。

4　课外支持系统构建

民主、平等、融洽的师生关系是实现混合式教学的基本保证。要求教师注重满足不同学生的需求。从授课技巧, 到教学手段运用，都要以饱满的情感投入创造优良的学习氛围。教师和学生一道在课内课外、书内书外相互交流、相互启发、相互补充、互教互学，成为一个“学习共同体”，从而使学生带着创新的心愿去吸取知识。

具体做法包括两方面，一是本课程配备了助教，充分发挥助教作用，助教除负责批改作业外，还包括指导学生实验箱使用、系统软件安装、程序调试等具体技术支持。所聘助教多为教师所在课题组博士，具有丰富的电子电路设计开发实践经验，熟悉FPGA设计，具备解答这些问题的能力。另外还有教师所在的科研课题组团队辅助，共同研究学生提出的具体工程实践问题。

另一个是将教师的各种联系方式发布给学生，方便学生预约，随时安排答疑。课程中间安排课堂测验，对测验成绩较差的学生集中安排3次集体补习，集体补课一般安排在课程中间，这是考虑到学生对前面的知识掌握不好，会对后续课程学习产生不利影响，进而影响学习兴趣。总之，通过教师所承担的科研课题、科研团队、博士助教及教师等课外全方位的技术支持，为学生提供最大限度帮助，使得课程目标得以顺利达成。

5　结语

以成果导向为目标的“数字电子技术”教学更新了教师的教学观念，极大地激发了学生对该课程的学习积极性，使得课程目标得以顺利达成。学生以一种比较愉快的方式获取知识，成为受益者。改革成果可以推广至其他课程，为工程教育认证工作打下基础。这可以从学生对课程及任课教师的总体评价中看出，学生对课程教学的满意度较高。下面是2015年秋季学期任课学生给予的评价，摘自教务处学生评价系统中，从中选择出有代表性的如下：“老师非常负责任，教学很认真，导致我对本课程学习非常感兴趣，学得很认真。老师态度极好，教学能力强，教学方法很到位，课堂氛围活跃”。“老师愿意牺牲时间为学生补课，课外支持很多，课后支持给力。老师水平高，讲课由浅入深，条理清楚，粗细分明，结合问题，嵌套设计。很关心同学的掌握情况，是我大学四年遇到的最好的老师”。“老师讲课很有条理，认真负责，很关心同学的掌握情况，讲课内容清晰重点明确，这门课程收获颇丰”。

本学期“数字电子技术”教学组的教师最终在全校2000余名教师中评教得分居前5%，获得A+。

参考文献:

[1]李志义, 朱泓, 刘志军,等. 用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J]. 湖北: 高等工程教育研究, 2014(2):29-34.

[2]李志义. 适应认证要求 推进工程教育教学改革[J]. 北京: 中国大学教学, 2014(6):9-16.