数字电路与逻辑设计双语实验教学改革与实践

2020-09-14殷建军崔金荣

实验室研究与探索 2020年8期

殷建军，黄琼，尹令，崔金荣，曹维

（华南农业大学数学与信息学院，广州510642）

0 引言

当前全球范围内正在经历新一轮科技和产业革命，综合国力竞争愈加激烈，而人才和教育的竞争成为最核心和最关键的竞争领域［1-2］，这对我国工程科技人才的培养提出了新的和更高的要求。为适应当前的科技和产业革命，培养一大批高素质的复合型人才，国家深入实施创新驱动发展等重大战略，加快推进“双一流”建设，特别是2017 年教育部推进“新工科”建设后，先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等指导性文件，为高校工程教育改革创新指明了新的方向［3-4］。

随着“互联网+”、物联网、云计算机、大数据、人工智能、区块链等新技术不断深入工科，全社会迫切需要一批创新意识强、工程实践能力突出、综合素质高、具有国际视野的复合型高素质人才［5］。实践育人体系是人才培养的重要组成部分，而实验教学是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要环节［6］。面对“新工科”的新要求，现有教学模式难以完成相应的人才培养任务，高校需要对传统的实验教学体系进行调整，不断提高人才培养工作的针对性和有效性。

数字电路与逻辑设计课程是计算机、自动化、电子、电气、控制、人工智能等专业的重要专业基础课，是工科中受众广、影响面大的一门核心专业课程，实践性和应用性非常强。对照新工科建设的要求，数字电路与逻辑设计课程在目前的教学过程中存在诸多不足，特别是实验教学面临巨大挑战。

1 数字电路与逻辑设计实验教学中存在的问题

（1）实验教学的目标仍然以验证理论知识和掌握实验技能为主，没有体现全方位提升学生综合素质的要求。长期以来，一些高校的实验教学目标主要是验证已经讲授过的理论知识和让学生掌握一些基本的实验技能，而对学生的工程实践能力、创新能力、团队协作精神、自主探索精神、工程伦理意识、生态意识、价值观养成等其他方面没有或者较少关注，而这些方面都是新工科的基本要求，是培养德学兼修、德才兼备的高素质工程人才和促进人才全面发展的核心素养［7］。

（2）实验教学过程中仍然是“老师带着学生做”，忽视了学生的主动性和能动性。传统的实验教学中，都是以老师为主导，学生跟着老师的节奏走，“老师讲，学生做”，或者是老师把实验方法和流程编写成实验手册，学生按照实验手册的流程操作一遍就完成任务了。这种方法既不能激发学生的学习兴趣，更不能激发学生的主动性、能动性和创造性，难以到达理想的教学效果。

（3）双语实验教学过程中英语使用较少，没有有效利用实验室这一重要的英语学习交流阵地。近年来，为了促进中国高等教育的国际化，培养具有国际视野的复合型人才，国内高校开始探索开设各类双语课程［8］。但在实际执行的过程中，双语仅仅体现在教材、课件、学习资料和理论课堂上，在实验室较少甚至没有使用英语。而实际上实验室是培养学生创新实践工程能力的重要阵地，也是师生面对面交流最多、深入讨论最有效的地方，应该大力鼓励和推广在实验中使用英语交流和写作，切实提高学生的专业英语综合应用能力。

（4）实验教学的考核仍然以“实验结果正确”为纲，缺乏全面评价学生在实验过程中的表现考核和评价体系。现有的实验考核标准，大都是以实验结果是否正确为标准，没有考虑学生在实验过程中的表现，较少关注他们是如何解决问题的，也没有关注学生在实验过程中能力的提高、情感的体验、态度和价值观的形成、人文和管理素养的提升。

2 数字电路与逻辑设计双语实验教学改革

为了改进人才培养，按照“新工科”建设的理念和要求，对课程进行了综合改革。数字电路与逻辑设计从2016 年春开始进行双语教学，2018 年春对照“新工科”的要求进行了全面的教学改革与实践。

2.1 双语实验教学理念与目标

数字电路与逻辑设计双语实验课旨在培养学生运用逻辑设计工具Multisim软件平台和数字电路实验箱以及常用中规模芯片等，使用逻辑电路分析与设计的基本方法解决应用问题，提升学生工程实践能力和培养学生创新能力；同时将双语教学模式应用于该课程，以增强学生专业英语的综合运用能力，使学生成为既精通专业知识又精通专业外语的高素质复合型人才。

2.2 双语实验教学体系设计

2.2.1 “三横四纵”实验教学架构

实验教学是培养学生动手能力最有效的途径［9］，在实验教学中引入双语教学模式，能够使学生在理解专业知识、掌握操作技能的同时，进一步丰富英语专业词汇，培养学生阅读原版英文教材的习惯和提高使用英文版软件的能力，为今后阅读英文文献、从事科学研究打下坚实基础。

通过研究、分析国内外数字电路与逻辑设计课程实验教学的现状，结合该课程的培养目标，提出并设计了“三横四纵”的实验教学架构，如图1 所示。

图1 三横四纵实验教学架构

“三横”由基础性、设计性、综合性实验构成，形成阶梯递进的实验体系，逐步提高学生的工程实践能力和创新能力。基础实验强调“规范与扎实”，旨在强化学生基础能力，全面规范学生的基本实验技能；设计实验突出“应用与拓展”，目标是在专业基础上提升学生的实际应用能力，并拓展其知识视野；综合实验强调“综合与创新”，学生综合应用所学的知识解决实际问题，推动其工程实践能力的提高和创新精神的培养。

“四纵”由自主学习意识养成、工程实践能力提升、英语应用能力提升、综合能力发展4 个方面组成。“四纵”贯穿整个“三横”之中，与“三横”相辅相成。自主学习意识养成针对当前学生对老师的依赖性强、自主学习意识薄弱、自主学习能力不强的现状，着重培养学生自主学习的意识，培养学生独立、自主学习的能力。工程实践能力提升着眼于扭转学生“会做题不会动手”的局面，通过多种途径切实提高学生的解决实际问题和会动手的能力。英语应用能力提升旨在进一步丰富学生的英语专业词汇、提升专业英语应用能力，培养具有国际视野的复合型人才。综合能力发展强调通过实验教学培养学生口头表达、书面写作、团队协作、竞争意识等方面的能力，全面提高学生的综合素质。

2.2.2 阶梯型双语实验教学内容

为了切实提高学生的实践能力，对数字电路与逻辑设计双语课程的学时进行了重大调整，理论课由原来的64 学时降为56 学时，而实验课学时由原来的16学时增至32 学时。充裕的实验学时为学生完成综合性、高质量的实验任务提供了保障。

实验教学内容结合英语原版教材、中文参考教材和实验箱的特点，由课程组老师自行编写，以中英双语的形式提供给学生，一共包括8 个实验：1 个基础实验，5 个设计性实验，2 个综合性实验，如表1 所示，这些实验形成了阶梯型的实验体系。

表1 实验教学内容

2.3 多样性的实验教学方法

采用实验箱+ Multisim软件仿真的混合方法开展实验。用实验箱做实验可以增强学生对实验的物理感觉，提高学生的操作能力。而随着实验复杂度的提高，采用软件仿真能够节省实验时间，提高实验效率。

2.3.1 任务驱动式实验教学方法

任务驱动教学法是以实用主义作为教育理论基础而提出的“学生中心，从做中学”的教学模式［10-12］。在数字电路与逻辑设计双语实验课中，引入任务驱动法旨在激发学生学习的主动性，提升学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，培养学生的创新能力和团队协作精神。

将实验内容设计成几个单独的实验任务，明确每个任务的内容和要求。再将学生分组，每2 或3 个学生为1 组，由学生自由组合，相互协作共同去完成每一个实验任务。鼓励学生从资料收集、方案拟定、计算分析、绘图与仿真、物理实现、现场答辩到撰写报告，全过程自行完成，强调“以学生为中心”，充分尊重学生的兴趣和自主性；同时，倡导组内和组间同学的讨论和交流，通过不同观点的交锋，补充、修正和加深每个学生对当前问题的解决方案。教师从主导型转变为协助型，只起到引导和启发的作用。以任务驱动的实验教学方法给予了学生充分发挥的空间，强化了学生自主学习的意识和能力，培养了学生创新思维的能力。

2.3.2 双向提问式PBL实验教学方法

PBL（Problem-Based Learning）也就是以问题为基础的学习［13］，该教育模式由美国神经病学教授Barrows在1969 年提出，已经成为国际上流行的一种教学方式［14-15］。爱因斯坦曾说过：“提出问题比解决问题更重要”。在数字电路与逻辑设计双语实验课中，主要通过双向提问激发学生积极思考、自主学习。

教师在课堂上不是唱独角戏，而是将实验设计成多个问题，采用问题的方法把实验剖析给学生，激发学生积极思考，进而引导学生去解决实际问题；在实验验收阶段，根据项目内容和现场演示出现的新情况，实时向学生提问，促进学生思考。学生做实验时，要求学生积极向老师提问，组内和组间同学相互提问，并把提问作为一种激励机制，纳入实验考评中；特别是针对实验过程中出现的异常情况，鼓励学生积极思考、大胆提问，培养其刨根问底的探究精神和科学家品质。

2.3.3 输入输出浸入式双语实验教学方法

浸入式教学起源于加拿大，最早应用于外语教学，使学生在进行基础学习的过程当中能够始终浸泡在目标语言的环境当中，在长时间的熏陶和感染下就能够自然而然地形成一种运用目标语言进行交流的意识和能力。将其应用到数字电路与逻辑设计双语课程中，希望能够加强学生自觉学习英语的意识，最终提高学生专业英语的应用水平。

在该课程的实验教学活动中，主要创新使用输入输出侵入式教学方法。输入的主要途径包括教师课堂讲解、学生阅读原版教材和英文实验资料、学生使用英文版本的仿真软件等。输出是提高学生口语能力的主要方法。相对理论课堂而言，实验室是更好的面对面交流场所，是学生集中输出的好时机。鼓励学生在对话、问答、讨论、辩论、演示、写作等环境中尽量使用英语。在实验初期阶段，鼓励大家在交流时先用英语说出主要专业词汇和进行简单的英语日常对话；在实验中期，鼓励大家尽量多地使用英语交流和写作；在实验后期，要求学生在资料搜集、计算、绘图、讨论、答辩、撰写报告等过程中尽量使用英语。

2.3.4 规范化的实验过程管理

对于每个实验任务，鼓励学生用不同方法和从不同的角度解决问题，但每个实验任务必须严格按照规范化的流程进行，以培养学生标准化、规范化的意识，从而提高学生的综合素质。每个实验任务必须包含以下几个实验步骤：①根据题目，给出完整的分析和计算过程；②根据计算结果，进行电路设计并画出完整的逻辑电路图；③根据画出的电路图进行Multisim仿真；④Multisim仿真测试通过后，在实验箱上进行硬件布线和运行调试；⑤硬件调试无误后，向老师演示并回答老师的提问；⑥撰写实验报告。

2.4 多元化的考核和评价体系

2.4.1 考核原则

（1）注重过程。本课程考核关注学生在实验过程中的表现，特别关注他们是如何解决问题的，关注学生在实验过程中能力的提高、情感的体验、态度和价值观的形成，而不是仅仅关注他们的实验结果。

（2）考核多元化。本课程考核标准多元、考核内容和方式多元，从实验态度、实验过程、实验操作、实验结果、演示答辩、实验报告、实验室环境维护、英语应用等多方面进行考核，避免以实验结果作为唯一考核标准的现象。

（3）关注差异。关注每个学生的差异，注意给信心不足的学生提供成功的机会。尽最大努力满足学生多方面的需求，特别是精神情感方面的需求，让每一个学生都参与进来。

2.4.2 考核和评价体系

数字电路与逻辑设计双语课程的考核由平时成绩和期末卷面成绩构成，分别占60%和40%。其中，平时成绩包括考勤、课堂测试、课后作业和实验，实验部分占平时成绩的70%，即占总成绩的42%，而且实行的是“一票否决制”，也就是如果实验成绩低于60 分（满分100 分），该课程视为不及格。

每个实验的考核内容和评价标准如表2 所示，考核内容共有9 项，其中，实验态度包括提前预习、实验认真、不迟到不旷课、不在实验室玩手机；实验报告包括：内容完整、格式规范、条理清晰、实验体会深刻；实验室安全与环境维护主要要求学生在实验过程中保持环境整洁，在实验后保证电脑关机、电源关闭和实验箱整理完毕。

各项考核内容所占分值：实验态度、计算过程、电路图、回答问题、实验提问、英语应用、实验室安全与环境维护分别为10 分；结果验收、实验报告分别为15分。教师根据每项考核内容对学生在实验过程的表现进行不同等级的评价，各等级的评价系数A为1，B 为0． 85，C为0． 7，D为0． 55，E为0． 4。各个实验任务根据其复杂度和难度在实验总体考核中所占比重不同，实验1 占10%，实验2 ～6 占12%，实验7 ～8 占15%。

每个实验任务的得分由各项考核内容的分值和对应的评价等级加权得到：

式中：Si为第i项考核内容的分值；Pi为第i项考核内容的评价等级系数；N为考核内容的项数；G为每个实验的得分。

表2 实验任务考核内容和评价标准

实验课总分由各个实验任务按照所得分值和所占比重加权得到：

式中：Gj为第j个实验任务的得分，Lj为第j个实验任务的占比，M为实验任务数，W为实验总分。

将式（1）代入式（2）得学生的实验课程总分：

3 改革效果

3.1 教学反馈与评价

教学反馈与评价是反映教学效果的一种有效手段，主要包括学校教务质量监控网上学生反馈与评教、实验课的学生问卷以及教学督导组的评价。

（1）教务质量监控网上的反馈与评教。学校教务质量监控网上的学生反馈贯穿整个学期，是学生对教师教学效果反馈的重要渠道，且全部是匿名，学生表达的意见相对真实。从学生反馈的意见分析来看，学生对实验教学的内容、方法和评价体系认可度较高；课程初期在英语学习和使用上遇到困难较多，到了课程中后期绝大部分同学已经适应了双语教学，并认为自己的专业英语水平有提高。在2018 年和2019 年的期末评教中，4 位主讲教师的评教得分均在本院前15%，学生对“该课程的实验教学巩固了我的理论知识，提高了我的实践能力”的满意度平均达到了92． 68%。

（2）实验课的学生问卷反馈。为了促进实验课的改革，教学督导组从2018 年春季开始，在每个学期结束后对各门实验课开展单独的网上问卷调查。在2018 年和2019 年的两年问卷调查中，“实验课加深了对专业知识的理解”“实验课提高了我的专业实践能力”“实验课培养了我的团队协作精神”“实验课提高了我的个人创新能力”“我的英语应用能力得到了提升”5 个方面的平均评分分别在88 ～95 之间。

（3）教学督导组的评价。学院教学督导组主要从课程的实验教学体系、实验教学环境、实验教学过程、实验教学效果4 个大的方面进行评价，两年的总体评价均为A。

3.2 学生参加创新项目和学科竞赛取得的成绩

数字电路与逻辑设计双语实验教学为学生巩固计算机硬件知识、提高学生工程实践能力和培养学生自主探索的精神奠定了坚实基础。在学完该门课程后，学生积极参与到学院硬件创新实验室、物联网实验室、机器人实验室的研究工作中，并参加了各种创新创业项目、学科竞赛和老师的科研项目。2018 年和2019年，共有33 项创新创业项目是以硬件为基础的，其中国家级5 项，省级10 项，校级18 项。在学生参加的物联网大赛、嵌入式系统设计大赛、电子设计大赛和机器人竞赛中，共有41 人获奖，其中获国家级奖励6 人，省级奖励35 人。