新工科背景下“数字电路与逻辑设计”课程改革

李晓辉 程鸿 张艳

摘    要：文章面向新工科建设需求，将以学生为中心的教育理念贯穿教学全过程，构建理论与实践相结合、教师讲授与学生讨论相结合、课堂教学与课外自主学习相结合、创新实验与科学研究相结合的“四结合”课程体系，建立新工科背景下以“数字电路与逻辑设计”国家级一流本科课程为核心的全方位资源共享课程平台。将理论课程、实验课程、课程设计与工程实践、创新设计和科学研究有机结合，通过“传统教学+信息技术+口袋实验室仿真”教学方式，引导学生进行探究式、个性化学习，在课程体系、教学内容和方法，以及教学评价与实践教学等方面进行了改革和探索。

关键词：新工科；“数字电路与逻辑设计”课程；课程体系；教学内容；教学方法

中图分类号：G642      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2023）12-0052-03

一、引言

新工科是新科技革命和产业变革背景下工程教育改革的重大战略选择，是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育改革方向，其目标为培养一大批引领未来技术与产业发展的卓越工程技术人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力支持和人才保障[1-2]。

“数字電路与逻辑设计”是电子信息类专业重要的专业基础课，主要介绍数字电路与逻辑设计的基本知识、基本器件和基本方法，讨论逻辑电路的分析、设计与实现的全过程[3]。安徽大学“数字电路与逻辑设计”课程为首批国家级一流本科课程。课程组以教学改革和科学研究为载体，按照新工科建设和工程教育认证需求，将理论课程、实验课程、课程设计与工程实践、创新设计和科学研究有机结合；将数字电子技术领域的新技术和新方法纳入教学内容；将教师科研成果、工程设计方法和实践经验融入教学，在课程体系、教学内容和方法，以及教学评价与实践教学等方面进行了改革和探索。

二、建设内容

（一）优化课程体系

将以学生为中心的教育理念贯穿教学全过程，构建理论与实践相结合、教师讲授与学生讨论相结合、课堂教学与课外自主学习相结合、创新实验与科学研究相结合的“四结合”课程体系。理论与实践相结合：在掌握理论知识的同时，面向工程实际，充分发挥实践教学的作用，提升学生对理论知识的理解和掌握程度。教师讲授和学生讨论相结合：培养学生发现问题、解决问题的综合能力和高级思维。课堂教学与课外自主学习相结合：课堂教学主要解决高阶内容，低阶内容由学生课外自主学习。创新实验与科学研究相结合：发挥科学研究的反哺作用，鼓励学生进行探究性实验，培养学生的科学思维能力。

（二）重构教学内容

根据知识传授、能力培养和价值塑造融为一体的理念，结合课程特点，全过程、全方位（课内、课间、课外；讲授、讨论、作业）融入社会责任感，马克思主义方法论、实践观等思政元素，建立课程思政案例库，使学生在知识学习中塑造正确的世界观、人生观和价值观。在教学案例、仿真验证、课外作业及教学网络平台讨论等环节中融入思政元素，培养学生不断探索、追求真理和勇于创新的科学精神，以及严谨认真的职业素养和社会责任感[4]。

例如，在逻辑函数化简知识点教学过程中，教师结合实际工程需求，引导学生在面对复杂工程问题时，一定要在思维和方法上由简切入，关注问题的重要环节。在实际系统设计时，需要从全局出发，处理好整体和局部的辩证统一关系，使系统实现最简化，以此培养学生的哲学思维，使学生树立整体观和全局意识。由逻辑函数化简引伸到工程系统的优化，让学生认识到在满足综合性能的前提下，工程系统设计必须考虑系统的冗余性，在保证性能的前提下进行化简，从而实现系统最优。在计数器设计中，为达到逻辑设计的最简，有可能会出现计数器不能自启动的现象，如果要求首先保证自启动功能时，则需要牺牲逻辑电路的最简。因此，教师应引导学生在实际工程设计时，分析计数器不能自启动的原因，修改逻辑设计并实现计数器的自启动功能。同时，教师应要求学生在今后的学习和工作中，一定要抓住问题的主要矛盾，做到主次有序。当前，学生的首要任务就是认真学好专业知识，提高自己分析问题和解决问题的能力，为将来建设国家打好坚实的基础。

面向新工科建设需求，突出科研对教学的促进作用，增强课程内容的广度和深度，培养学生深度分析、解决复杂问题的综合能力和高级思维[5]。教师将工程实际项目 “智能交通信号灯设计”作为教学案例，引入到计数器设计知识点的教学中，案例涉及传感器、人工智能等交叉学科，适应新工科建设需求，体现内容的高阶性和创新性。实践证明，教师将承担的科研项目引入教学，能够使学生加深对理论知识的理解，培养学生综合应用所学知识解决复杂工程问题的能力。

教师应注重教学内容的前沿性和时代性，将科技前沿、学术研究、工程实践等最新研究成果和技术引入课程，培养学生的创新意识和科学精神。例如，教师可将数字电子与模拟电子的融合芯片、5G通信电路等数字电子技术发展的前沿成果引入教学，使学生了解、掌握数字电子技术的最新知识和发展动态。

（三）重组教学方法

强化知识、能力和素质的有机融合，以提出问题、分析问题和解决问题为主线，将教学安排分为课前预习、课中讲授讨论、课后拓展3个环节，做到课前有准备、课中有突破、课后有思考。结合学生已掌握的知识、学习习惯和能力，教师可从以下2个方面来分阶设计教学内容。

1.知识点分阶。由易到难，将知识点内容分成低阶内容和高阶内容。学生通过自学即可掌握的知识点为低阶内容，如基本逻辑运算、集成电路芯片的功能介绍等；需要更深层次的学习才可掌握的知识点为高阶内容，如基于中规模时序逻辑电路的设计方法。

2.理论和实践分阶。根据知识点的特点和实践情况将教学内容分为理论模块和专题案例模块，针对组合逻辑电路和时序逻辑电路分别设置专题，由学生分组讨论设计完成。采用混合式教学方法，低阶内容由学生利用线上网络资源进行自主学习，教师全程关注学生的学习情况，并给予必要的指导。对于学生没有掌握的知识点，教师将在线下教学时有针对性地进行重点讲解。

教师通过“传统教学+信息技术+口袋实验室仿真”教学方式，引导学生进行探究式、个性化学习。教师利用课程组和电子仪器公司合作开发的“数字电路口袋实验

室”（自制教具），在课堂上进行实验效果的演示，同时，选定若干作业由学生课后完成，并进行实验验证。对于较复杂的设计题目，则需要学生组成团队开展研究、讨论，并进行报告和答辩。以“智能交通信号灯设计”为例，教师的活动包括提出问题、讲解原理、解答难点、点评方案和归纳总结，学生的活动包括分析问题、研究思考、分组讨论、方案设计、实验验证、总结汇报和学生互评。教学组织形式充分体现了教师主导、学生为主体的思想，通过师生互动、生生互动和多元评价，使学生深度参与课堂，提高了学生的学习效率和热情，锻炼了学生的团队合作能力和思辨能力。

在新冠疫情期间，针对实践活动不易开展的现实情况，教师采用Multisim软件仿真方法帮助学生加深对知识点的理解和验证。教师通过共享屏幕、直播讨论等方式，远程指导学生在Multisim软件中进行逻辑电路的设计。仿真实验过程中，教师注重学生科学思维的培养，引入实际工程中环境对电路的影响，引导学生分析原因，并修改、完善设计方案，最终得出正确的实验结果，以此培养学生工程实践观念和发现、分析、解决问题的能力。

（四）重建课程评定方式

根据课程特点，制定课程考核评价环节及权重以提高学生的学习积极性。课程考核包括平时成绩、期中考试和期末考试等环节（表1）。建立多重教学效果反馈机制，通过作业、课堂提问、课间答疑、讨论答辩及网络交流等途径，及时掌握学生的学习情况，改进教学内容和方法，保证教学质量。

（五）强化实践教学

将实验课程统一规划、系统安排，实现了实验课程模块化、实验内容层次化、培养模式多样化、教学手段现代化、教学方法多元化[6-7]。基础性实验主要采取现场指导的实践教学方式；设计性实验主要采取开放式自主实践教学方式；创新研究性实验主要采取学生自主选题、导师课外辅导的研究式教学方式；工程性实验主要采取分段式和开放式教学模式，即在确定的时间段内进行开放式实践。

在实验教学手段上，采用仿真实验与实际实验相结合的方法，充分利用多媒体技术和网络教学手段，强化实验教学效果。要求学生至少掌握一种仿真软件的使用方法，在实验中充分而灵活地应用仿真软件，做到“软硬”结合，掌握数字逻辑电路的设计方法，从而实现“二个转变”“一个提高”，即实现由基础验证性实验向综合设计性实验转变，由传统性实验向创新性实验转变，进而提高实践能力和创新精神。

充分依托综合性大学文化优势，将大学生科技活动延伸至课堂教学，进一步提高学生的实践能力和创新精神。按照“学科竞赛与学术活动相结合、科技创新与科研实践相结合、成果转化与育人成才相结合”的原则，开展以培养学生实践能力和创新精神为目标的科技创新活动及工程应用研究，使学生系统掌握电子系统设计过程中选题、立项、方案论证、电路设计、系统测试、总结报告、文档整理等环节的功能和要求，充分发挥学生的能动性和创造力。

（六）注重资源建设

依托“电子线路和电子技术课程群”国家级虚拟教研室平台，发挥安徽大学所属华东地区教研室的优势，突出安徽大学“数字电路与逻辑设计”虚拟教研室的特色；创设双向共建虚拟教研室的组织形式，构建新工科背景下以“数字电路与逻辑设计”国家级一流本科课程、省级精品课程、省级精品资源共享课程和省级大规模在线开放课程示范项目为核心的全方位资源共享课程平台。虚拟教研室成员发挥各自优势，拓展课程素材，丰富课程资源，协同共建教学大纲、知识图谱、教学视频、电子课件、习题试题、教学案例等教学资源，形成以“立德树人为根本、智慧平台为载体、校际合作为途径、示范引领为目标”的“四位一体”虚拟教研室。教研室成员共同编写的“数字电路与逻辑设计”课程教材已被安徽大学、合肥工业大学、华东师范大学等10余所高校选用，得到了师生的一致好评。新编教材《数字电路与逻辑设计》被教育部高等学校电工电子基础课程教学指导分委员会评为推荐教材。

“数字电路与逻辑设计”课程已建有教学大纲、教案、课件、习题库、试题库、课程思政案例库和优秀课程设计论文库及全部课程视频资源，使学生能够最大限度地利用学习资源，开展自主学习。“数字电路与逻辑设计”课程教学平台已上线国家高等教育智慧教育平台和学银在线平台，目前，国内已有多所高校的1 500 多名学生在线学习和交流。

三、结束语

“数字电路与逻辑设计”课程教学改革与实践表明，坚持以學生为中心的理念，将新工科建设要求贯穿教学全过程，加深了学生对理论知识的理解，使学生应用所学知识解决复杂工程问题的能力得到有效提升，实践能力和创新精神得到全面提高，形成了适合学科特色和学生特点的教学模式。思想政治教育与专业教育有机结合，使学生在润物细无声的知识学习中形成了正确的世界观、人生观和价值观，自身的知识、能力和素质得到发展，实现了课程教学目标。

参考文献：

[1]  刘坤，贾盼，张珊.新工科建设推进范式的转换与迭代：第五届中国高等工程教育论坛之新工科专业建设与发展分论坛综述[J].高等工程教育研究，2021（1）：197-200.

[2]  秦璐，董羽.新工科背景下工程教育人才培养模式的创新性研究[J].江苏高教，2022（12）：90-94.

[3]  张延军，卢继华，孙磊.“三位一体”教学模式在“数字电路”课程中的应用[J].电气电子教学学报，2022，44（6）：43-47.

[4]  阳令明，何永红，田琼.新工科视域下课程思政教育改革的思考[J].黑龙江教育（理论与实践），2022，76（9）：27-30.

[5]  胡玉霞，邵慧，金海红，等.新工科教育背景下“数字 电子技术”课程教学改革与实践[J].科技风，2022（35）：96-98.

[6]  魏青梅，马静囡，魏斌，等.数字电路课程教学模式的创新与实践[J/OL].教育现代化，2020，7（42）：19-21[2023-04-19]. https：//kns.cnki.net/kcms2/article/abstract？v= 3uoqIhG8C44YLTlOAiTRKibYlV5Vjs7i8oRR1PAr7RxjuAJk4dHXoufCYjluazM_eN1IpKM4m9jViNNGdjWh-LIjYa28bE7B&uniplatform=NZKPT.

[7]  刘毅，付丽.“数字电路”教学模式改革效果研究[J].黑龙江教育（理论与实践），2021，75（4）：71-72.

收稿日期：2023-03-28                                                          修回日期：2023-04-19

作者简介：李晓辉（1961—），男，安徽合肥人，安徽大学电子信息工程学院教授，博士，研究方向为通信与信息系统。

基金项目：国家级新工科研究与实践项目“基于多学科交叉复合的新工科集成电路与系统专业及学科探索、建设与实践”（E-06-2018019）；安徽省质量工程项目“电子线路系列课程教学团队”（2019jxtd0）、“‘数字电路与逻辑设计大规模在线开放课程”（2019MOOC028）