“项目牵引、内容重构、多维融合”——数字电子技术一流课程建设的探索与实践

张艳花，王黎明，韩跃平，杨凌，薛英娟，马骥祥

（中北大学电工电子国家级实验教学示范中心，山西太原 030051）

为了应对新的科技革命和产业变革，提升我国的硬实力，亟须培养德才兼备的高素质综合型工科人才[1-3]。为此，2017 年，教育部启动了新工科建设计划。新工科以“工程教学新理念、学科专业新结构、人才培养新模式、教育教学新质量和分类发展新体系”为主题，以培养具有实践创新能力的跨学科复合型人才为目标[4-9]。课程作为人才培养体系的核心要素，是决定人才培养质量的关键。2018 年，教育部在新时代中国高等学校本科教育工作大会上正式启动一流课程建设“双万计划”，主题为“淘汰水课、打造金课”，旨在进一步提升课程教学质量[10-12]。因此，如何在有限的时间内更加高效地完成教学任务是授课教师亟待解决的问题。

数字电子技术是一门电子技术入门性质的学科基础课程，是电子类、信息类等相关专业的必修课程，其理论性强，对实践和创新的要求高。以往数字电子技术课程教学过程往往按照“基础→综合→应用”顺序实施，实验环节放在课程的从属地位，隐性地割裂了理论知识的积累与应用，加之课堂上学生的主体地位不够突出，使得学生学完该课程后会做题和设计几个功能简单的数字逻辑电路，但面对实际的工程项目时不会解决工程问题，更难以提升创新能力。因此，为了配合新工科、工程教育专业认证、一流本科教学、一流课程建设和培养创新人才的要求，将数字电子技术课程的教学内容与能力培养系统、有机地融合，进行“以学为主”的教学改革。

1 一流课程建设

以项目模块和系统设计为核心，纵向组织课程内容，以项目模块的设计代替传统实验内容，理论教学、实验和工程实践紧密融合，课程的学习过程变为数字电路设计的系列课程，由简单到复杂，由局部到整体；在教学环节中，以自我探索、深度引导、理论严谨、训练充分为基本方法，强调研究性和自主探索性学习，培养学生的自主学习、创新能力，具体包括以下研究内容。

1.1 凝练课程导引项目，设计体现学生能力和职业素养培养的内容

课程组依托团队科研项目，提炼符合课程目标、覆盖面广、体现技术前沿性和“两性一度”的典型工程项目作为整个课程的导引项目。以“洗衣机控制器的设计”为例，该项目包含组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲的产生与整形电路的设计等内容，覆盖面广，囊括了课程的重要设计内容；设置应用FPGA进行设计的要求，体现了技术前沿性；设置多种实现方法比较并优化的环节，突出创新能力的培养；设置系统调试与优化设计环节，充分体现了系统级电路的设计能力、调试能力和工程素养要求。总之，相比组合逻辑电路、时序逻辑电路和大规模集成电路等模块各自采用一个导引小项目的设计，一个大导引项目贯穿整个课程学习的设计，更能充分体现课程的高阶性、创新性和挑战度。

1.2 构建“理论教学、实验、工程实践能力和课程思政有机融合”的一体化课程体系

课程原来设置为“理论48 学时+实验16 学时”，学生先学习理论，然后做实验，实验环节处于课程的从属地位。课程改革以“洗衣机控制器的设计”等工程实例中的任务需求为牵引进行内容重构，将以往“基础→综合→应用”的教学过程转变为模块化的学习体系，实现了理论教学与实验和工程实践能力的有机融合。如洗衣机控制器组成与课程模块图1 所示，由项目导引，课程具体分以下几个模块：逻辑代数基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲信号的产生与整形电路、大规模集成电路。

图1 洗衣机控制器的组成与课程模块

各模块的学习由项目模块的设计作为导引，并设置项目考核课堂环节。其中，前4 个模块为子系统，围绕同一模块可融合线上教学、课堂教学、案例研讨、实验实践、工艺提升等教学形式，强化学生接受知识、应用知识、探索创新的一体化教学过程，激发学生对知识的探究，提高学生的知识应用能力、科学思维能力和创新能力。第5 个模块为子系统级联模块（综合系统），不仅使学生的知识应用能力、科学思维能力、创新能力得到进一步提升，而且提高了学生的系统级电路设计能力、调试能力和工程素养。

另外，在课程学习和项目设计中有机融入思政元素。通过课程思政，使学生受到爱国主义教育，树立社会主义核心价值观，具有创新精神和职业素养[13-14]。如在项目FPGA 设计模块中，将我国大规模集成芯片发展局限的问题融入学生线上线下学习和讨论中，培养学生的辩证思维、爱国情怀和社会责任感，充分发挥了课程全程育人、全方位育人的大思政格局。各模块已录制思政微视频的案例如表1所示。

表1 课程思政案例

1.3 采用“结合优秀教学资源线上线下多种混合模式”的教学方法

课程组对国家级精品课程进行了转型，将课程建设为省级精品资源共享课程，在高等教育出版社出版了数字化教材，在超星尔雅、高教出版社MOOC资源网发布了课程知识点微视频、实验微视频、知识点在线测试题、作业题库、电子工艺实训视频、应用案例、课外阅读资料和电子设计大赛报告等丰富的课程MOOC 资源，近3 年在线学习访问量累计600多万次。这些开放共享资源为开展“以学为主”的混合式教学提供了支撑，也为贯彻“以学生为中心”的教育理念，实现由“教”到 “学”教学方式的顺利过渡提供了实践平台。

由工程项目导引，采用“任务→模块→系统→创新”的教学体系，辅之以在线学习、翻转课堂、对分课堂、团队学习等教学模式，突出能力和素质培养，引导学生进行探究性和个性化学习，实现了由“教”到“学”的转变，提高了学生的学习积极性及学习效果。

例如时序逻辑电路模块，以60 进制计数器、洗涤时间计数器和洗涤定时控制电路3 个子模块电路的设计导引，来完成时序逻辑电路的教学。在具体的课程教学过程中，线上教学、线下教学和实验实践相融合。如为了克服线下授课芯片有限的局限性，中规模计数器内容通过线上教学完成，引导学生在线自主探究性学习，不仅学会应用74160、74161、74290 等芯片，而且利用线上丰富的资源拓展学习，学会应用74162、74163 以及可逆计数器74190 等芯片。随后对应地设置线下的任意进制计数器设计的研讨式教学，强调计数器的基本设计方法，加强对芯片的灵活应用能力，解决学生只会应用少数芯片的问题。子模块导引项目中双定时电路的设计有多种方法，既可以基于触发器，采用经典的同步时序逻辑电路的设计方法来进行，也可以利用中规模集成芯片构成的计数器和译码电路来实现。教学过程中可以设置多种情境，激发学生的主观能动性，对多种设计方法进行分析比较。模块电路设计具体实践内容包括电路设计与原理分析、EDA 仿真、调试、功能和指标测试等，为培养学生团队意识和协作精神，课下由学生组成小组协作完成。为解决设计过程出现的问题，设计期间贯穿线上线下生生讨论、师生讨论。

1.4 构建“五阶段，三层次”的多元过程考核模式

将理论知识讲授、能力和素质培养、思想政治教育三者有机结合，并采用激发学生创新能力和团队合作精神的过程性考核评价方式。

课程考核打破了传统以“作业、考试、实验”为主的模式，由“在线成绩（20%） +过程子模块测试（30%） +系统测试（20%） +理论考试（30%）”4 个部分组成。其中，在线成绩根据自测题、在线作业题、网上资料查询与总结、在线讨论参与度等给出；理论考试包括课程基础内容和应用。增加“五阶段，三层次”的过程考核，前4 个阶段模块即组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲信号的产生与整形电路、大规模集成电路4 个过程子模块，考核包含电路设计、仿真、调试、功能与指标测试等；第5 阶段，将过程模块合理级联成系统并从系统级进行优化，考核从基本功能、工程化要求、创新性3 个层次进行，学生讲解设计方案并进行演示，通过测评、自评、互评、教师点评相结合的方式进行成绩的认定。

“五阶段，三层次”的实践考核模式加强分层次分阶段过程考核的同时，培养了学生的创新思维，有效解决了能力培养环节薄弱的问题。

改革后，课程设置变化为线上学习（20 学时）+线下课堂（34 学时）+项目模块和系统考核（10学时）。

2 教学实施

课前：通过超星慕课平台布置项目设计任务和自主学习任务单，发布知识点测试题、作业题，突出以项目、任务及问题为探究载体，引导学生在线自主探究与合作学习，重构“以学为主”的教学过程。

课中：线下授课采用“讨论课堂+翻转课堂+对分课堂+团队学习”的混合式教学模式，加强了师生的交流互动，促进了学生的深度学习；设置“五阶段，三层次”项目答辩考核以检验学生的学习效果，并根据反馈效果，加强薄弱环节的教学设计，全面提高课程的教学质量。

课后：学生需要完成作业，并在观看平台基础实验视频的基础上，依托中北大学国家级电工电子实验教学示范中心自主完成项目的设计、仿真和调试，对项目设计以及作业中不清楚的地方可以在讨论区提问，教师团队及时回复，积极引导。为体现个性化的教学，根据课程目标的实际需要，开设基于FPGA 设计等专题讲座、专题直播课，拓展学生的学习领域。

3 结束语

课程组已对三届通信卓越工程师班进行了以上教学模式的改革与实践。实践表明：“工程牵引，任务驱动、内容重构”的教学内容设置、“结合优秀教学资源线上线下混合模式”的教学方法及“五阶段，三层次”的全过程考核方式，将原来按章节教学改为按模块教学，将知识点按照模块任务进行重组，实现了理论与实验、实践、工程需求的有机融合，增加了课程的挑战度，有利于学生自主构建知识体系，深层次掌握基础知识；实现了由“教”到 “学”学习方式的转变，提高了学生的学习积极性；有利于培养学生的创新思维，提高学生学习的成就感。