“金课”建设下数字电路与逻辑设计实践教学改革.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023实验教学“金课”建设下数字电路与逻辑设计实践教学改革许卫东,胡 云,陈彦辉,康 槿(西安电子科技大学 通信工程学院,陕西 西安 710126)摘 要:以往的数字电路与逻辑设计课程教学中注重知识的传授,实践教学多为课程配套的验证性实验。传统的基于书面考试的课程考核方式使学生的注意力集中在课程的理论知识点上,学生对数字电路与逻辑设计系统不能形成一个完整的认识。当遇到实际复杂工程问题时,既不能有效分析问题也不能解决问题,与“金课”的创新性、挑战度和高阶性的要求相差甚远。数字电路与逻辑设计实践教学改革以基于设计的工程学习为教学目标,以项目为驱动让学生学会设计构建一个完整的数字电路与逻辑设计系统。从教学内容、教学方法、教学模式、课程评价几个方面开展实质性的改革与试验,培养多维能力,激发学生兴趣,助推“金课”建设。关键词:“金课”建设;数字电路与逻辑设计;实践教学;项目设计;教学改革中图分类号:TM131.5;G420 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.026Practice teaching reform of digital circuit and logic design under the construction of“golden course”XU Weidong,HU Yun,CHEN Yanhui,KANG Jin(School of Telecommunications Engineering,Xidian University,Xian 710126,China)Abstract:In the past,the teaching of digital circuit and logic design paid much attention to the impar-ting of knowledge.The practice teaching was just the verifying experiment that the course is supporting mostly.The traditional course assessment method based on written examination made students focus on the theoretical knowledge points of the course.In this case,the students could not develop a complete understanding of digital circuit systems.When they encounter some actual complex engineering prob-lems,the students can neither effectively analyze the problem nor solve the problem successfully,which is far from the innovation,challenge and advanced requirements of“golden course”.On the account of the teaching aims of the digital circuit practice teaching reformation,the designing-based engineering learning and the project-driven teaching model are good for the students to learn how to design and build a complete digital circuit system.Substantive reform and experiment should be carried out from the as-pects of teaching content,teaching method,teaching model and course evaluation,so as to cultivate multi-dimensional abilities,stimulate students interest and boost the construction of“golden course”.Key words:golden class construction;digital circuit and logic design;practical teaching;project de-sign;teaching reform 收稿日期:2021-07-14 修改日期:2021-12-10作者简介:许卫东,博士,讲师,研究方向为通信与信息系统、信息论。E-mail:wdxu 通讯作者:胡云,博士,实验师,研究方向为类脑神经网络和智能交通网络。E-mail:huyun 基金项目:2021 年西安电子科技大学教育教学改革研究项目(项目编号:B21001;19BY022)。2017 年 2 月以来,教育部积极推进新工科建设,先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”,达成了培养造就一大批创新型卓越工程科技人才的共识。在新工科背景下,为了提升大学生的工程实践能力、创新能力,培养具备国际竞争力的高许卫东,等:“金课”建设下数字电路与逻辑设计实践教学改革素质复合型应用型通信人才,实施一流课程建设的“双万计划”,即“金课建设”1计划顺势提出。“数字电路与逻辑设计”是通信工程、信息工程、空间信息与数字技术等学科的专业基础课程,是一门实践性很强的课程 2。在以往的课程教学中,主要以关键知识点为脉络,动手实践实验,多为课程配套的验证性实验 3。教师在教学中只是单纯地传授知识,并没有考虑工科学生人际交往能力、领导力、想象力、创新力、思辨力等多维能力的教育与培养。传统的基于考试的课程评价方式更是把学生的注意力偏隅在课程的理论知识和局部技巧上,导致学生无法对所学知识形成一个完整系统的认识,没有系统的分析能力和解决能力。当遇到实际复杂工程问题时,往往不能快速有效地进行构思、设计、实现与运行,与“金课”的创新性、挑战度和高阶性标准相去甚远。在新工科建设的关键时期,遵循“金课”建设理念,针对通信类专业学生改革“数字电路与逻辑设计实践”教学思路 4,具有非常重要的意义。本文从教学内容、教学方法、教学模式、课程评价 5几个方面对“数字电路与逻辑设计”课程进行改革与试验,引导学生从实际工程项目出发,激发学生兴趣,培养多维能力,助力本科“金课”建设。1 数字电路与逻辑设计系统项目设计的改革与创新“数字电路与逻辑设计”课程的教学围绕如何设计构建一个完整的数字电路与逻辑设计系统,同时要求学生进行“数字电路与逻辑设计”系统项目设计。项目设计的目标是为了让学生对数字电路与逻辑设计系统有整体认知,并通过项目流程设计对学生的工程设计能力进行综合锻炼。在整个项目设计过程中,需要学生不断地根据“项目”的需求来学习 6-7,提高学生教学参与度,激发学生学习兴趣,转变学生学习观念,变被动地接受知识为主动地寻求知识,形成良性循环。学生通过调查研究、查阅资料、方案论证与选定、设计方案和选取器件等阶段完成一个包含传感器数字信息输入,数字信息存储、处理,数字信息显示输出并控制机械运动的完整数字电路与逻辑设计系统项目,该项目题目可由学生自行选定,但要求必须具备一定的实用性。以下从教学内容、教学方法、教学模式三个方面对数字电路与逻辑设计课程的改革与实践方法展开详细探讨。1.1 教学内容本课程的教学内容特点是由项目驱动,突出系统模式。项目要求学生分小组完成,每组 34 人,在 8 个教学周内基于 FPGA 开发一个涵盖传感器和电机装置的具有一定实用功能的小型自动化系统 8,必须含有人机交互的输入输出功能和机械控制功能,最终提交一个小型自动化系统的原理样机。数字电路与逻辑设计系统结构如图 1 所示。图 1 数字电路与逻辑设计系统结构同时,为了保证系统的完整性和实用性,要求提供两种模式:一种是维护模式,它允许设备维修人员执行简单的测试工作,例如,转动伺服电机,读取传感器的读数,测试其能否正常工作。另一种是正常操作模式,此模式下,系统接收到开始指令后,就自动工作。项目设计了不同层次的任务要求。1.1.1 基本要求(1)人机交互:输入采用按键或拔动开关,输出采用多个 LED 数码管或 LCD;(2)数据控制:采用传感器获取外部信息,采用伺服电机或步进电机驱动机械设备实现控制;(3)测试模式:通过串口输入命令进入测试模式,单独对各模块进行测试。1.1.2 提高要求(但不限于)(1)人机交互:可选声音辅助;(2)界面状态反馈:能够将处理后的数据反馈到上位机并通过界面显示。整个项目设计具有一定难度和开放性,兼顾科学与人文等方面 9。整个项目周期包括项目启动、项目计划、项目实施、项目验收四个阶段。为了顺利地完成该项目,学生需要整合课内课外所学知识,把知识转变为解决问题的能力。学生团队还要运用项目管理方法和工具进行合理的规划、管理项目完成的进度,最终实现在平衡相互竞争的项目制约因素(例如:成本、时间、功能等)的基础上,按时提交满足要求的成果 10。在项目启动和计划阶段,学生团队要进行例会,设计方案。在此过程中,培养学生的人际交往、思辨力、想象力和创新力。在项目实施阶段,每个时间节点学生必须按时完成计划任务,由教师进行功能检301查,着力培养学生领导力、团队合作能力、在工程实践中遵守工程职业道德规范的意识;在项目收尾阶段,学生要提供完整样机,鼓励学生用产品发布的形式来宣传自己的作品,进行公开展示,阐述本组区别于其他小组的新颖设计理念。1.2 教学方法本课程的教学方法是以学生为主、教师引导、课赛结合、以赛促学 11。(1)学生为主。学生通过基于项目的学习,主动学习,主动实践,学生成为教学活动的主体。(2)教师引导。教师由知识的传授者转变为学生学习的引导者,在关键的技术节点上给予学生指导。(3)课赛结合、以赛促学。在以往的教学过程中,只有少数学生被选拔参与学科竞赛,覆盖面小,受益面也就小。在课程中,引入课内竞赛,要求每位学生都加入小组完成具有实用功能的项目设计,并在年级里进行课内竞赛。从中选拔一批优秀作品,给予奖励,进一步深化完善后参加各级学科竞赛。通过展示全部学生的设计,在学生之间相互激发灵感,不断提高学生的学习兴趣。1.3 教学模式疫情期间,本课程充分结合学、练、评为一体的线上内容,打造线上线下混合的教学模式 12,保证教育教学的顺利进行,如图 2 所示。图 2 线上线下混合教学模式本课程教师积极探索利于教学的线上资源,依托校园智慧教学云平台 13,配有关键技术讲解微课和开发工具使用技巧微课,并且布置相应的作业题目,帮助学生利用线上内容快速入门,掌握关键技术。其中包括使用 FPGA 实现流水灯、分频器和串口通信功能。实现流水灯功能帮助学生了解建立工程、仿真、约束设置、综合,生成二进制文件的整个过程,并能够配置简单的 IO 口。分频器帮助学生了解时钟、分频概念,学生使用示波器设备测试和检验程序,同时为生成 PWM 波形提供基础。串口控制器帮助学生配置与上位机的通行口,方便完成项目任务中的命令和状态信息传输。同时线上还提供各种传感器资料和电机资料,学生可在线上自学知识和技巧。教师在线下对学生项目中的功能进行检查。第一个检查点为传感器与 FPGA 连接功能检查,第二个检查点为 FPGA 对电机的控制功能检查,帮助学生为最后的产出任务积累知识和技能。2 考核内容与方法本课程主要考查学生运用知识分析、解决复杂工程问题的能力。课程评价方法为:项目设计和理论考试相结合,项目设计占 60%,理论考试占 40%,实验过程评价和过程监督百分比分配结果如图 3 所示。理论考试采用期末试卷(百分制)形式。项目设计考核成绩(百分制)由制作过程成绩和系统样机两部分组成,成绩小组共享,个人成绩由小组互评完成。制作过程成绩占项目设计 30%,下面每个内容占项目设计的 6%:(1)FPGA 开发板配置实验 1 流水灯;(2)FPGA 开发板配置实验 2 分频器;(3)FPGA 开发板配置实验 3 串口控制器;(4)传感器输入 FPGA demo;(5)传感器输入 FPGA、FPGA 输出到外设 demo。图 3 实验过程评价和过程监督系统样机和报告占项目设计的 70%,其中系统样机演示占项目设计的 50%,项目报告占项目设计的 20%。系统样机演示包括:功能(25%)、质量401 许卫东,等:“金课”建设下数字电路与逻辑设计实践教学改革(15%)、问答考核(10%)。功能考核系统样机完善性和技术难度。质量考核样机机械结构可靠性、电子系统规范性,稳定性。问答考核是对学生在设计思路、工作原理、制作方式、遇到问题、解决方法等方面进行问答式考核。项目报告分为成果简介、机械系统、数字系统、传感器系统、项目管理 5 个部分,每个部分占项目设计的 4%。为了确保学生项目的创新性和多样性,教师在项目计划阶段对学生项目设计方案要进行评估,重复、类似项目不予批准,此外对项目报告进行查重处理。这种课程评价方式改进了“数字电路与逻辑设计”课程以往重理论轻实践的模式。过程性评价既注重学生学习过程也注重学习结果,是对学习动机、过程和效果的三位一体的评价。采取目标与过程并重的价值取向。能及时反映学生学习中的情况,促使学生对学习的过程进行积极地反思和总结。3 教学效果知识理解是基础,综合应用是过程,学生能力提高才是最终目标。在本课程实施过程中,教师在进行知识传授的同时,更加注重学生能力的培养。学生的目标由学会一本书变成了干成一件事,由被动的听课,变成主动的探索。在数字电路与逻辑设计项目设计中,培养学生使用计算机工具及网络收集信息、文献检索和资料查询,自主学习能力;掌握并使用现代工具解决复杂工程问题的能力;培养良好的沟通交流和书面表达能力;培养在工程实践中遵守工程职业道德规范的意识;增强学生实践兴趣,提升学生工程认知和综合能力。图 4 所示为部分学生作品展示。通信工程学院 2016 级847 名、2017 级758 名学生对本课程评价为“优”,本课程实践教学部分获得同行及专家的认图 4 部分学生作品展示可,荣获 2018 年全国电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛二等奖。4 结语针对以往“数字电路与逻辑设计”课程实践教学存在的问题,“数字电路与逻辑设计”实践教学改革在教学内容上采用数字电路与逻辑设计系统项目设计,由注重学生的知识培养转变为注重学生能力的培养;教学方法上从教师主导转变为以学生为主体,教师引导,激发学生主动学习的热情;考核方式转变为结果评价和过程评价相结合的教学评价方式,调动了学生学习的积极性,提升了数字电路与逻辑设计综合应用能力;教学模式上,配有微课、交互式移动学习应用等资源,形成了线上线下结合的全方位立体化授课模式,改变了传统单一授课模式的弊端,学生的学习兴趣和学习自由度都得到了有效增强。参考文献(References):1 颜文燕,陆汝华.新工科背景下通信类专业金课建设探索J.中国教育技术装备,2020(12):52-53,58.2林纯,陈娟,王建平,等.新工科背景下数字逻辑电路教学改革探索与实践J.中国教育技术装备,2019(24):106-107.3 马学条,陈龙.基于虚拟仿真技术的数字电路与逻辑设计实验教学探索J.实验技术与管理,2016,33(10):127-129.4 蔡曙.新形势下通信工程课程教学改革与实践J.教育教学论坛,2016(46):75-76.5 张清泉,杨虎,吉安平.电子类专业实践教学内容和模式改革创新研究J.高校实验室工作研究,2016(1):3-4.6 姜大志,孙浩军.基于 CDIO 的主动式项目驱动学习方法研究J.高等工程教育研究,2012(4):159-164.7 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