基于STEM理念的数字电路课程教学改革与实践

摘 要 在新工科建设和工程教育认证背景下，传统数字电路课程的教学模式已难以满足卓越工程师培养的需求。在此背景下，文章以STEM（科学、技术、工程和数学）教育理念为指导，结合Logisim软件在数字电路课程教学中的应用，探索了一种全新的教学模式。文章首先分析了当前数字电路课程教学中存在的问题，进而提出了基于STEM理念和Logisim软件的教学改革方案，并阐述了教学内容、教学方法、实践环节以及评估体系等方面的改革措施，旨在为提升我国数字电路课程教学质量提供新的思路和方法。

关键词 工程教育认证；STEM理念；Logism软件；数字电路；教学改革与实践

中图分类号：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文献标识码：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.03.003

Teaching Reform and Practice of Digital Circuit Course Based on STEM Concept

LI Jing

（School of Information Engineering， Nanjing Xiaozhuang University， Nanjing， Jiangsu 211171;

School of Artificial Intelligence， Nanjing Xiaozhuang University， Nanjing， Jiangsu 211171）

Abstract Against the backdrop of emerging engineering education and engineering education certification， the traditional teaching mode of the \"Digital Circuit\" course can no longer meet the requirements for cultivating \"outstanding engineers\". Under such circumstances， guided by the STEM （Science， Technology， Engineering， and Mathematics） educational concept and combined with the application of Logisim software in the teaching of the Digital Circuit course， this paper explores a brand - new teaching mode. Firstly， it analyzes the existing problems in the current teaching of the Digital Circuit course. Subsequently， it proposes a teaching reform plan based on the STEM concept and Logisim software， and elaborates on the reform measures in aspects such as teaching content， teaching methods， practical links， and evaluation systems. The aim is to provide new ideas and methods for improving the teaching quality of the Digital Circuit course in China.

Keywords engineering education certification; STEM concept; Logism Software; digital circuit; teaching reform and practice

在全球化与信息化浪潮的推动下，工程教育正经历着前所未有的变革。作为高等教育体系中的重要组成部分，工程教育不仅承载着培养未来工程师的重任，还肩负着推动科技进步、促进经济社会发展的历史使命。近年来，随着STEM（科学、技术、工程和数学）教育理念的兴起，全球范围内对工程教育的要求和标准也在不断提升[1]。STEM教育理念强调跨学科整合与综合应用，旨在培养学生的创新思维、实践能力和解决复杂问题的能力，这与当前社会对工程人才的要求高度契合[2]。

数字电路作为计算机科学与技术类专业的基础课程，是连接理论与实践、培养工程素养的重要桥梁。然而，传统的数字电路教学模式往往侧重于理论知识的传授，忽视了对学生实践能力和创新能力的培养。面对这一挑战，如何将STEM教育理念融入数字电路课程教学，创新教学方法和手段，提升教学质量和效果，成为当前工程教育改革的重要课题[3]。

本文正是基于这一背景展开的研究，旨在探讨STEM教育理念和Logisim软件在数字电路课程教学中的应用与实践。通过深入分析当前数字电路课程教学中存在的问题和不足，结合STEM教育理念的精髓和Logisim软件的优势特点，提出了一系列具有针对性和可操作性的教学改革措施。本文的研究不仅有助于丰富和完善数字电路课程的教学理论和方法体系，还为提升我国工程教育的整体水平和质量提供了有益的借鉴和参考。

1" 数字电路课程教学中的问题

1.1" 教学内容与组织的割裂导致的知识碎片化问题

数字电路课程涵盖了逻辑代数基础、逻辑门电路、组合逻辑电路和时序逻辑电路分析等关键知识点，教学组织上存在明显问题：一方面，理论与实验内容截然分开，理论课堂上学生主要接触抽象的理论知识，缺乏即时的实践验证和应用环节，使得理论知识难以内化为解决实际问题的能力；另一方面，组合与时序逻辑电路教学割裂，虽然分别介绍了组合逻辑电路和时序逻辑电路的分析和设计方法，但缺乏将它们有机融合的教学案例，削弱了学生对于两类电路内在联系的理解，导致学生学习知识的碎片化。

1.2" 实验课时与内容的限制问题

数字电路课程的学时数设置为48学时，其中理论授课32学时，实验授课16学时。受实验课时的限制，实验任务均为分立的组合逻辑电路模块或时序逻辑电路模块的验证性实验。这种实验设置一方面导致学生缺乏学习兴趣和积极性，只是机械地完成实验步骤，而不去深入思考实验背后的理论原理和意义；另一方面又缺乏整合数字电路模块设计实现数字系统的任务，使学生难以形成对数字系统的整体认识，也无法培养其独立思考能力和创新能力，以及解决实际工程问题的能力。

1.3" 考核方式与评价体系的局限性问题

首先，数字电路课程的考核偏重书面成绩（包括20%平时成绩+30%实验报告成绩+50%期末试卷成绩），忽略学生在实际操作和应用能力上的过程性成长，也未能充分反映其在团队协作、创新思维等综合素质方面的表现。其次，考核方式单一，评价视角狭窄，难以全面评估学生的综合能力。此外，教师通常采用统一的评价标准来评价所有学生，忽视了学生之间的个性化差异和特长。最后，反馈滞后，学生提交书面作业后，往往需要等待较长时间才能获得反馈，影响学生的学习积极性，同时，教师也难以从书面作业中及时了解真实的教学效果，阻碍了教学内容与方法的持续改进。

2" 工程教育专业认证理念与STEM教育理念的有机融合

工程教育专业认证倡导以学生为中心、成果导向和持续改进3个核心理念，强调培养学生解决复杂工程问题的能力，已经成为高校工科发展的风向标[4]。STEM教育强调跨学科整合，通过科学、技术、工程和数学四个领域的有机结合，培养学生的创新思维、问题解决能力和实践能力，注重实践性和探究性，鼓励学生通过动手实践来理解和掌握知识[5]。可见，工程教育认证与STEM教育理念内在关联紧密：均以学生为中心，强调实践与创新，重视跨学科整合；均倡导项目驱动教学，培养学生解决实际问题的能力；同时，两者都注重持续改进和质量保证，确保教育质量和学生学习成果。这些共同点为两者在数字电路等工程教育课程中的有机融合提供了坚实的基础。

在数字电路课程中，将工程教育认证理念与STEM教育理念有机融合，关键在于理念与实践的紧密对接。首先，从理念层面出发，我们需牢固树立“以学生为中心”的教育观，深入理解学生需求，将STEM的跨学科整合思想深度融入课程设计。这意味着教师不仅要教授数字电路的基础理论知识，还要通过设计具有挑战性、实践性的项目，让学生在实际操作中跨越学科界限，综合运用数学、物理、计算机科学等多学科知识，培养其创新思维和解决实际问题的能力。在实践层面，我们需明确“成果导向”的教学目标，即设定清晰、可衡量的学习成果与能力指标。通过实施STEM项目，让学生在解决实际数字电路问题的过程中，体验从理论学习、设计到仿真验证的全过程，从而检验学习成效。同时，建立有效的反馈机制，定期评估教学质量与学生学习成果，依据反馈结果及时调整教学策略，确保教学目标的达成与教育质量的持续提升。综上所述，将工程教育认证理念与STEM教育理念有机融合于数字电路课程之中，须理念先行，实践跟进，二者相辅相成，共同促进学生综合素质的全面发展。

3" Logism软件在数字电路教学中的优势

3.1" 直观易用的图形界面与丰富的元件库

Logisim软件提供了一个直观的图形界面，用户可以通过拖放方式轻松创建和编辑电路图，无须复杂的编程或命令输入，降低了学习门槛，符合STEM教育倡导的“动手实践”理念。同时，软件内置了包括逻辑门电路、触发器、寄存器等在内的丰富的元件库，支持用户根据需求选择合适的元件进行电路设计，满足了数字电路教学中对多样化元件的需求。

3.2" 精确的模拟引擎与强大的仿真功能

Logisim软件采用精确的模拟引擎，能够准确模拟电路的行为，帮助学生在设计过程中预测电路的性能和行为，减少实物制作中的错误和浪费。通过仿真功能，学生可以直观地看到电路的运行结果，加深对数字电路工作原理的理解。这种仿真体验与STEM教育中的“探究式学习”相契合，鼓励学生通过观察和实验来发现规律。

3.3" 支持跨学科整合与项目式学习

Logisim软件不仅限于数字逻辑电路的设计，还可以与其他学科如计算机科学、物理学等相结合，支持跨学科整合。例如，在嵌入式系统设计或通信系统设计等领域，学生可以使用Logisim软件来设计和模拟相关电路，实现知识的综合运用。结合STEM教育中的项目式学习方法，教师可以设计具有挑战性的数字电路项目，让学生在完成项目的过程中综合运用所学知识，培养创新思维和解决问题的能力。

3.4" 便于反馈与持续改进

在数字电路教学中，教师可以通过Logisim软件快速获取学生的设计结果和仿真数据，从而及时给予反馈和指导。这种即时的反馈机制有助于教师了解学生的学习情况，调整教学策略，实现持续改进。结合工程教育专业认证理念中的“成果导向”原则，教师可以通过Logisim软件中的仿真结果和电路设计来评估学生的学习成果和能力水平，为后续的教学改进提供依据[6-9]。

4" 基于STEM理念和Logism软件的数字电路课程改革与实践

4.1" 优化整合教学内容

STEM教育理念强调跨学科融合，为数字电路教学提供了知识整合框架。教师通过引入数学、物理、计算机科学及哲学等学科知识，丰富教学内容，构建宽广的知识网络，提升学生对数字电路的理解与兴趣，培养其综合实践与创新能力。具体实施上，首先要实现跨学科融合教学。教师在讲解数字电路的核心知识点时，如编码技术、门电路以及数字系统设计等，可巧妙引入数学、物理、计算机科学等多学科的知识。例如，在探讨编码技术时，不仅解释其基本原理和应用场景，还要进一步分析它们在数字电路中如何提高信息传输的效率和可靠性，加深学生对编码技术重要性的理解。在讲解门电路时，结合物理学中的PN结单向导电性、晶体管的放大作用等知识，阐述门电路的工作原理，帮助学生建立物理学与数字电路之间的联系。在数字系统设计中，引入计算机科学中的模块化设计思想，指导学生将复杂的数字电路系统分解为更小的、可管理的模块，提升他们的综合应用能力。

其次，将思政教育融入教学全过程。在介绍数字电路的发展历史时，强调我国在这一领域的成就和贡献，激发学生的家国情怀。同时，结合哲学常识，引导学生思考数字电路与人类社会的关系，培养他们的社会责任感和职业道德。此外，要结合Logisim软件可视化特点构建系统的数字电路情境教学内容体系。通过设置基础知识验证模块、基础电路设计模块和综合项目实践模块，重构理论和实践教学的比重，更加直观、生动地展现数字电路的教学内容，帮助学生更好地理解和应用相关知识。

4.2" 丰富教学方法和手段

在工程教育认证的指导下，基于STEM理念的数字电路课程教学，需要以学生为中心，注重产出导向的教育设计。为了实现这一目标，教师需要丰富和革新教学方法和手段，以促进学生在理论学习与实践能力上的全面发展。首先，引入Logism软件在课程教学中开展项目式学习，结合STEM理念布置验证类、设计类和综合类的层次化项目任务，如验证比较器功能、设计计数器电路和设计运动码表系统等，打造课程“两性一度”，让学生在进阶式情境教学过程中掌握和应用数字电路知识，提高学生的课堂参与度和学习兴趣，培养学生的实践能力和创新精神。此外，针对当代大学生“网络原住民”的特点，综合运用多样化在线教学资源，建立“线上资源为基，线下互动为本，多元考核为要”的混合式教学模式。例如推送在线精品课程、通过超星课堂中心互动等学习方式，充分发挥多媒体技术的优势，强化对学生自主学习能力的培养。同时丰富线下教学场景，依托智慧教室开展翻转课堂、竞技活动等，让学生在课前通过自主学习掌握基础知识，实施小组合作进行问题探讨和实践操作，展示学习成果，师生共同总结学习情况，培养学生的团队协作能力和沟通能力，促进师生共同成长。

4.3" 设计进阶式实践环节

传统数字电路课程理实分离、偏重验证性实验，这与工程认证和STEM理念强调的实践和创新能力培养相悖。为提升学生的综合素质，基于Logism软件可实时动态观测输入数据对输出结果影响的特性，融合理论与实践课程教学案例，设计进阶式实践项目，让学生课堂中运用Logism软件边学习理论知识边进行实践设计。借助Logism软件的数字电路课程教学共包含6个进阶式实验，如图1所示。其中，5个为低阶性的个人项目，1个为高阶性的综合性团队项目，项目难度由浅入深进阶，特别是综合性项目的主要功能所对应的知识点层层递进。课程内容以这些层次性知识点为主线，重构了理论与实践有机融合的教学内容体系。通过项目设计和制作，学生可以将课程知识点串起来，从而有效解决了课程知识碎片化问题，培养了学生综合运用知识的能力；通过工程项目设计和制作，增强了学生的工程应用能力和团队协作能力。

4.4" 建立多元化评估体系

结合工程认证要求和STEM理念，建立以“学生为中心，产出为导向，持续改进的”多元化考核体系，以更全面客观地评价学生的能力水平。具体的教学评估由三部分构成，如图2所示。线上完成预习、讨论、单元测试、作业等，记入最终考核的20%；线下完成互动、实验项目等，记入最终考核的30%；期末考试记入最终成绩的50%。其中，线上讨论和线下课程实践环节考核部分，引入同行评价和自我评价机制，让学生相互评价彼此的作品和表现；同时可以让学生进行自我评价，反思自己的学习过程和成果。通过同行评价和自我评价机制可以让学生更客观地认识自己的优点和不足之处，明确自己的学习目标和方向；同时也可以促进学生之间的相互学习和交流借鉴，共同提高学习效果和能力水平。再者，课程实践环节考核可采用报告、答辩、演示等多种形式的评价方式，以更全面地评价学生的理论知识掌握和应用能力、实践操作能力、创新能力和团队合作精神等多方面的能力水平。

5" 结论

在新工科建设和工程教育认证背景下，通过融入STEM教育理念和利用Logisim软件对数字电路课程进行教学改革与实践，不仅能够解决传统教学中存在的问题，如理论与实践分离、实验内容单一以及考核方式片面等，还能够更好地适应工程教育认证的要求，培养学生的创新思维、实践能力和解决复杂工程问题的能力。实践证明，这种改革不仅可以丰富数字电路课程的教学理论和方法体系，还为提升我国工程教育的整体水平和质量提供了有益的借鉴和参考。

基金项目：南京晓庄学院2024年校级教育教学研究与改革项目。

参考文献

[1] 张彩丽，杨海波.工程教育专业认证背景下基于STEM理念的复杂工程问题的构建[J].西部素质教育，2019，5（4）：172-173.

[2] 郭延辉，潘明华，孙洪峰.工程教育认证与STEM教育融合的实践教学改革[J].计算机教育，2023（7）：35-40.

[3] 栾兵，宋威.基于STEM的数字电路课程教学实践[J].集成电路应用，2022，39（5）：41-43.

[4] 于兴滨，孙健伟，卜迟武，等.面向工程教育专业认证的目标达成评价方法研究[J].包装工程，2024，45（S2）：123-126.

[5] 余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21（4）：13-22.

[6] 胡世昌.用Logisim改革数字电路实验[J].沈阳师范大学学报（自然科学版），2015，33（2）：301-304.

[7] 刘亚楠，刘路路.计算机类专业《数字逻辑》课程建设探讨与实践[J].合肥师范学院学报，2019，37（6）：108-110.

[8] 马习平，冉兴萍.基于Logisim的新工科数字逻辑课程改革探索[J].电脑知识与技术，2022，18（16）：155-157.

[9] 王伟征，潘显民.数字电路实验教学改革的探索与实践[J].计算机教育，2024（6）：162-166.