融合国外教学元素的“数字电子技术”全英文课程

史雪飞, 伍春洪, 尤 佳

(北京科技大学 自动化学院， 北京 100083)

0 引言

创新型国际化人才的培养是一项复杂的系统工程。电工电子基础课程—“电路”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”等作为信息类专业的必修课程，在国际化人才的培养中承担着多重作用[1]。

全英文教学除了要引进国外先进的教学内容、及时跟进学科的最新发展，更重要的是借鉴国外先进的教学理念和课堂元素，改革我们传统的人才培养模式，以适应国际化人才培养的需要。

本文借鉴融合国外的思维导图、合作学习的课堂教学元素，经过多年的教学实践，构建了“数字电子技术”全英文课程，采用较为系统地从点到面循序渐进、有效考核的小组合作学习模式，根据设计任务驱动章节知识的推进与整合以及采用思维导图的方式梳理重要知识点并解决实际问题。该课程的这些教学改革，有助于培养学生科学的思维模式、优势互补的合作意识、善于发现事物之间关联性等未来发展必不可少的优秀素质和能力。

1 融合国外教学元素的全英文课程

本文详细介绍融合国外教学元素的全英文课程在教学时具有特色的五个方面。

1.1 小组合作学习模式

group study(小组合作学习)，顾名思义，是几个学生组成一个固定的小组，继而分工合作，通过有效的沟通，共同完成学习；这种学习模式尊重小组中每个成员的优势，相互启发、相互补充，通过思维和智慧的碰撞，产生新的思想，创造性地完成学习任务[2]。经过几年的摸索与实践，我们尝试在较大规模的学生范围内引入了group study教学模式，主要解决了以下两个教学实施环节中的难点：①如何持续、较为系统地将其贯穿在整个教学环节中？②如何客观合理地评价与考核这种教学模式？

我们攻破这两个难点所采取的措施是：课程开始前，让所有学生自愿组合为3～4人的合作小组，这个小组将会固定贯穿整个学期的课上课下的学习。从课上对难度适宜的知识点进行即时小组的学习与讨论延伸到课下的合作性project设计作业训练，最后通过口试检查、笔试答辩、按贡献比例决定的project计分方法来进行有效的小组学习考核。

课上的即时的学习讨论：课前要求学生按照事先分好的小组排坐，课上即时地进行小组学习讨论，这样学习的知识点需要教师精心选择，难易和综合程度要适中，既有一定的挑战性，又必须让学生能够在短时间还有驾驭它的可能性，课堂上要求学生做即时presentation。例如：可以选择“555定时器的原理及应用”、“移位寄存器在键盘编码中的应用”等内容进行合作讨论式学习；学生即时讨论学习之后马上进入presentation阶段，这样做一方面促进学生自主学习的能力，另一方面训练学生的专业语言组织和表达能力；之后教师会结合学生的讲解，适当点评并引导学生如何抓住这部分的理解关键点，教学实践证明：学生非常需要这方面的指导和专业训练。

课下循序渐进的project设计作业训练：“数字电子技术”是实践性很强的课程，配套的仿真软件multisim能够很好地提供一个设计运行平台； project作业先期布置3个独立模块化的仿真作业，之后是小型数字系统project设计作业；小型数字系统作业的内容有汽车尾灯的控制、打地鼠、电子拔河游戏机、乒乓球、出租车自动计费器等饶有趣味的内容，每个小组自愿分工并选择完成感兴趣的一个题目。这样从前期铺垫到最后的大project作业，一是让学生有个熟悉软件的过程，循序渐进地掌握设计方法，二是让学生不断磨合真正实现优势互补的团队学习；3次模块化仿真作业教师都会对每个小组进行口试，最后一个数字系统设计作业，教师和助教会同班级所有小组利用课余时间进行答辩，遴选出每个班级的前2名，最后集中进行答辩。学生的想象力和创造力需要有平台展现，这个环节促使学生能够结合各自的兴趣点有出其不意的表现。

1.2 知识点推进与整合

“数字电子技术”的核心内容主要有两部分：组合逻辑电路的设计和时序逻辑电路的设计。课程中关于布尔代数、逻辑化简、与非和或非门电路等内容都是为逻辑电路设计做铺垫，因此对于这些部分的知识点，我们是根据任务驱动的模式来进行推进和整合的：首先给出组合逻辑电路的设计任务(Design Challenge)——军民联欢晚会自动检票系统逻辑电路的设计，军人持红票入场，需要查验军人证件；群众则持黄票入场，而持绿票者则不论军人还是群众都可以入场，要求用任意门电路和只用与非门两种技术方案实现。根据设计步骤的展开与推进，将逻辑化简、与非门通用性等知识点的讲解进行整合，学生正确有效地使用这些电路的时候，就会清晰地明白知识点是如何被应用在适当的场合，这样做有助于学生从整体角度把握各章节知识的衔接关系[3]。另外对于中规模集成芯片(译码器和数据选择器)实现组合逻辑函数的设计任务也采用这种整合方式，例如给出另外一个组合逻辑电路设计任务：输血受血类型是否匹配的逻辑检测电路，要求用译码器和数据选择器实现最后的设计电路。将译码器和数据选择器能够实现组合逻辑函数的原理整合在此处进行讲解，一方面让学生了解了中规模功能芯片不仅可以实现各自的功能，而且还可以被用来设计完成任意组合逻辑函数，通过这种方式可以大大提高电路的稳定可靠性。

1.3 思维导图的引入

大脑正常的运转规律是：它在思考问题的时候，总是先从一个或者几个点出发，展开联想，想到很多相关的点，再把这些点连接起来，组成一幅完整的图画，从而构成了一个完整的思考过程；事实上大脑的这种运转规律完全符合其工作载体——神经元细胞的结构特点，即从“中心——四周”的模式。思维导图就是在尊重脑细胞生理结构的基础上，将零散知识点之间的相互联系用图的方式呈现出来，这种学习方法尤其适用于对专业知识的系统学习[4]。

在教学实践过程中，教师可以对知识点的梳理采用这种方式，但更重要的关键在于进一步引导学生学会有效利用大脑“中心——四周”的思考模式去解决实际问题。下面以集成芯片(N进制)实现任意M进制计数器设计的教学内容为例，用思维导图首先梳理各种可能出现的设计与技术实现方案，见图1所示。然后以具体的计数器设计讲解如何寻找问题的关键点，从而完成解决任务的整个思考过程。这里思维导图的绘制没有标准统一的答案，但是需要尽可能满足：每一层级的关键词是按照一定逻辑关系有序展开的，而且要符合相互独立、全部包含的原则。

图1 集成芯片设计计数器思维导图

例如：用74LS163芯片设计一个可控的计数器，当A=1时为13进制计数器，当A=0时为6进制计数器。对于这样的设计题目，首先应该知道它属于M

在教学实践中，要求学生按照小组合作学习的方式完成思维导图时，发现他们主要的困难在于，逻辑关系不清晰，一会儿采用芯片的类型原则，一会儿采用是否级联的原则展开思维导图，相互独立，全部包含的原则使用起来并不那么顺畅。但是一旦用思维导图梳理集成芯片设计计数器的主要技术方案和构成思路之后，学生普遍反映似乎找到了知识的地图，只要从问题的关键词出发，很快就可以定位在地图的分支上，并且准确找到解决问题的办法。

图2 可控计数器的设计

1.4 有效过程控制考核方法

课程考核是课程教学水平的集中体现。它是评价课程教学质量的重要手段，对课程建设具有引导和约束的作用[5]。通常国外的高等教学管理体系实行的是过程控制，而非简单的目标控制，这种管理理念在课程考核方式上体现得特别明显，每门课程要求学生在平时有一定的学习积累，最终的考核成绩并不是只由一次结业考试来决定，平时的测验、实验、期中考试、project还有高年级的presentation、期末考试都是最终成绩评价的一部分，这样的考核体系设置支持和督促了学生从头至尾的踏实认真、无侥幸心理的学习态度，也持续调动了学生的学习积极性。目前国内的课程教学管理思想大都为目标控制，基本上依据最后一次的结业考试来决定考核成绩，即使有平时成绩，一般占总成绩的比重也不会超过30%，期末考试占的比重还是很大，造成学生平时不用心学，单靠最后突击应付的坏习惯。借鉴国外合理的评价方式，我们将过程控制的思想引入“数字电子技术”全英文课程的教学体系，而且对于小组合作学习也摸索出了一套比较合理的考核评价方式：平时作业占10%、3次小Project占15%、1次大project占15%、期末考试占60%，应该说绝大多数认真学习的学生都是支持这种考核方式的。对于3次project，教师均安排有对每个小组的口试，事先要求每个小组保证每位成员都对project熟悉，最后参加口试的成员是口试前随机指定的，他的口试情况决定了整个小组的得分，通过这样的方式可以督促学生进行实质性的小组学习，而不是流于形式。 对于最后1次大project，每个班级组织答辩，以小组为单位进行客观公正地评分，教师和助教会参与其中；这个环节要求每个成员诚实地签字确认自己在小组中的贡献比例，根据付出多少计算大project的得分情况。经过几届学生的反馈，大家还是普遍认可这种有效的考核评价方式。

1.5 课程体系的执行效果

我校融合国外教学元素的“数字电子技术”全英文课程教学体系的建设是有一个过程的：小组合作学习只完成大project是从2011年开始；之后2014年加入3次独立模块仿真作业并进行每组口试；任务驱动整合知识点2015年进入教学环节；小组合作学习即时讨论和思维导图环节2016年执行。

经过多年的教学实践，相比传统的教学模式，新的课程体系首先激活了学生主动学习课程的积极性，特别是即时讨论环节，每次学生都会问：需要按小组形式上课吗？学生有了积极主动的能力，学好这门课程就是水到渠成的自然结果。课程体系建设经过几年的积累，涌现出了一大批学生自发创新设计作品：定时炸弹、坦克大战、节奏大师、游乐园、汽车航道赛车等，从每年学生作品质量不断提升可以了解到，这些教学元素深受学生认可，学生对“数字电子技术”课程体系有很高的满意度。相比过去，学生成绩最大的变化是不及格的比例越来越少，平均分和最高分因为每届学生试卷难易度不同，这里不作为可比数据。

2 结语

将国外先进的课堂元素——合作学习、任务驱动、思维导图融入“数字电子技术”全英文课程的实践中，不仅改变了传统的人才培养模式，训练了科学的思维方式，也让学生较为系统地体验合作学习的优势。我们经过几年的教学探索发现，新的课程体系也存在着一些困难和问题：比如学生的规模问题；即时讨论的小组合作学习模式还需要尝试更有挑战性的方式，而不仅仅局限在固定知识点的学习；每一次仿真作业都要安排口试，教师的工作量非常大等等。但是，开展系统有效合作学习模式、坚持任务驱动的教学理念、实施过程控制考核、应该要坚持下去，因为学生在其中的受益将会对他们今后的职业生涯起到重要的积淀作用。