张延军 卢继华 孙 磊
(1. 北京理工大学 网络空间安全学院， 北京 100081)(2. 北京理工大学 集成电路与电子学院， 北京 100081)
数字电路具有高集成、高精度以及低功耗等特点，作为计算机、电子类专业学生的专业基础课，“数字电路”课程对学生的专业知识技能以及工程思维培养都至关重要[1-8]。掌握“数字电路”的基本概念、原理和电路特点，在具体教学实践过程中，通常采用“先器件后电路、先分立后集成、先原理后应用”的教学模式。上述教学模式按照时间发展顺序展开，虽遵守了事物发展规律，但显得较刻板，很容易使学生“管中窥豹”，对课程整体架构认知不明确，进而导致学习过程中抓不住重点。此外，“数字电路”作为电子信息类学生必修课程，往往因修课学生众多，大班授课普遍。因此，“数字电路”课程教学面临如下难题：一方面，授课模式单一，很难调动学生的积极性和主动性；
另一方面，大班授课导致学生对新知识认知、接收及变通受影响。如何提升“数字电路”课堂教学效果及知识转化率，一直广受高校持续关注，也是专业基础类课程致力于解决的难题之一。
结合上述问题，以及目前数字电路技术日新月异的发展现状，需在教学内容、教学方法与手段以及实践教学方面进行探索与创新，来满足技术革新对人才培养的新要求。
文献[2]针对新工科背景，提出线上线下混合教学模式下的数字电路与逻辑设计实验的多样化教学，介绍面向过程和多维度的考核和评价新体系以及线上线下立体式教学资源与环境的构建。文献[3]提出了一种探究式的教学模式，从任务驱动出发，改进教学方法，促进学生动脑与动手，有效提高学生的积极性和主动性，培养学生独立思考、动手实践与协作设计能力。文献[4]基于“数字电路”课程，提出了项目化教学的改革实践方案。具体实践环节，课堂上引入讨论法，教学内容上增加设计类及创新类实验。文献[5]结合目前数字电路技术的发展现状，从教学改革指导思想、教学内容、教学方法、教学手段等多方面提出了若干建议。文献[6]围绕学生课前、课中和课后三个阶段学习活动而进行整合的设计，将教学理论和实践相互融合。文献[7]设计出既适合“数字电路”教学又具有专业特色的实验项目，将科研成果引入实验教学。文献[8]从易到难地重新设计了教学内容，重点培养学生利用FPGA设计数字电路和数字系统的能力。因此，在数字电路技术飞速发展的形式下，“数字电路”教学改革、教学方法的改进以及教学策略的凝练势在必行。如何找到一种好的教学模式，既能提升课堂教学质量，又能调动学生学习的积极性，将课程教学效果量化，对于“数字电路”课程教学效果的提升是非常有意义的。
经过多年不断摸索和长期教学实践，任课教师们在课堂教学实践中逐步形成了较为完备的“三位一体”教学方式，将“课堂教学、平时表现及实践教学”融为一体。其中，课堂教学侧重于渐进式问题引导；
“平时表现”将“作业、考勤与实践”三方面；
“实践教学”包括分组实验、独立实验以及独立答辩三个环节。全方位、立体地从问题引导、立体表现及实践锻炼三个层面指引学生，培养学生独立分析、设计及表达的能力。首先阐述了“三位一体”教学模式，再分别细致阐述“数字电路”教学实践策略。最后，对全文进行总结。
为了达到好的课堂教学效果，教师将教学知识点转化为教学案例，引导学生解答和实施教学案例。“数字电路”课程围绕使学生掌握逻辑代数的基本概念及运算规律、掌握组合电路及时序电路的分析与设计展开，具体体现在以下5方面：
目标1：通过课堂教学，使学生掌握数制、编码和逻辑代数的规则、规律等；
目标2：通过课堂教学，使学生掌握数字集成电路设计、可编程器件、脉冲信号的产生与整形、ADC、DAC等；
目标3：通过课堂教学，使学生掌握利用逻辑代数分析与设计合逻辑电路；
目标4：通过课堂教学，使学生掌握利用逻辑代数知识分析和设计时序逻辑电路；
目标5：通过教学实验，使学生掌握数字系统设计方法，并具备利用相关软件和FPGA芯片进行数字系统设计的能力。
上述5个课程目标体现了课程内容、课程任务以及希望达到的学习成果。课程目标是学生学习效果的检验参考，也是课程评价的考核标准之一。
围绕上述课程目标，提出了“三位一体”教学模式，如图1所示。所提教学模式，包括课堂教学、平时表现及实践教学等三个相互结合的环节，教学策略贯穿于“数字电路”课程教学环节中的各个阶段。
图1 “三位一体”教学模式组成与关系示意图
图1中的课堂教学包括三方面内容：教案设置、渐进演示以及问题抛出与拆解。通过渐进式问题与拆解讲述，启发学生主动思考并深入参与到课堂的互动中来，调动学生的学习兴趣和积极性。学生不是被动地被灌输知识，而是在循序渐进的提问、交流和互动中掌握知识点，此种积极轻松的学习方式也进一步应用于实践环节中。三位一体教学策略的第二部分“平时表现”，包括三方面：平时作业完成度、课堂考勤以及实践表现；
此三方面平时表现，分别体现到成绩中的三个评价：卷面考核、平时评价和实践结果评价。“三位一体”教学策略的第三部分：实践教学包括分组讨论、独立实践和实践答辩，每个环节都配备研究生助教辅助(平均3位学生1位研究生助教)，且实施过程都有量化考核环节，如答辩环节，组织老师加研究生为答辩委员会，每位学生独立答辩。通过上述全方位、立体的实践环节，学生既锻炼了合作配合能力，又锻炼了独立思考、设计及表达的能力，同时还将教学效果进行了细致量化。总之，通过图1中“三位一体”的教学组织和实施既能保证每个学生按照要求完成“数字电路”课程学习和系统设计，又能有效保证每条预期学习目标的达成，进而达到较为圆满的教学效果。
将“三位一体”教学模式应用于课程教学实践中，教师以书本内容或实践环节对学生进行引导，设定大、小问题，使学生按照老师思路走；
激发学生学习兴趣的同时，也增进了与学生间的互动与沟通交流。
2.1 课堂教学
课堂教学包括三方面内容：设置教学案例、教学实例循序渐进的演示和讲解、以及问题抛出与拆解。
教学前把“数字电路”课程中的内容分解成一个个小的知识模块，再将教学知识点融入具体课程中，为接下来设置课程任务，教学案例以及教学考核做准备。
“数字电路”的知识模块分类归纳如下：
(1)“数字电路”相关的必要知识：数制、编码和逻辑代数的公理、定理及定律；
(2)电子线路方面的基本知识：数字集成电路；
可编程器件；
脉冲信号的产生与整形；
ADC、DAC以及存储器；
(3)基于逻辑代数知识对组合逻辑电路进行分析与设计；
(4)结合组合电路，对时序逻辑电路进行分析与设计；
(5)数字系统设计及基于相关Verilog仿真软件进行数字系统设计。
教学时采用PPT 课件进行教学，课件方便教师讲授更多知识内容，但存在课堂互动减少的情况。为保证学生对理论知识的掌握，同时保持兴趣和学习热情，针对性地在课堂中提问和设问，将知识点以互动的方式抛出，引导学生主动进行剖析和解答。
“抛出问题”的具体方式为：教师在讲解每个知识点时举例提问，让学生们了解相应知识背景后思考所问问题如何解答和实现，再引导出该概念的发展脉络、描述及表达方式，帮助学生形成整体的数字系统设计思路。
2.2 平时表现
平时表现按照内容分为课堂教学中的考勤、平时作业完成度以及实践教学中的实践表现。实践表现是学生在分组实践中实践参与度的体现，具体通过实践答辩环节定量体现。各项平时表现按照百分制给分，记录在成绩表中，总评成绩时按照各项比例进行加权，然后总和得出考核成绩，60分以下为不及格，60分(含)～70分为及格，70分(含)～80分为中等，80分(含)～90分为良好，90分(含)～100分为优秀。
2.3 实践教学
“数字电路”课程中的很多知识点都能与生活中的实例相对应，将教学的知识点放入具体趣味性强的实践任务中，在灌输知识的同时，培养学生动手能力和逻辑思维。设计完备的实践题目不仅能吸引学生认真思考，也能锻炼学生触类旁通和举一反三的能力。具体实施时，实践教学比例约为三分之一，包括：分组讨论、独立实践和实践答辩，每个环节都配备研究生助教辅助(平均3位学生1位研究生助教)，且实施过程都有量化考核环节，如答辩环节，组织老师加研究生为答辩委员会，每位学生独立答辩。每位答辩委员会成员给学生打分，该打分作为量化的实践成绩。
下表1是“数字电路”课程的实践题目及涉及到的知识点。
表1 “数字电路”系统设计题目及涉及到的知识点
其中，照明灯控制电路为组合电路设计；
抢答器以及十字路口交通灯设计属于时序逻辑电路设计。在“数字电路”的教学实践中，以学生分组学习模式为主。课程实践之前，建立微信学习小组提前将多媒体课件、电路设计资料以及仿真软件下载到本地电脑并运行，提前完成人员分工。学生基于微信学习小组，进行有效的学习和沟通。在各自独立的学习小组中提前讨论实验相关的内容，在实践过程中分享设计思路及编程心得，从而锻炼学生的动手实践能力。
课上针对表1中的3个题目，分别对组合电路设计及逻辑电路设计实施方案设计、模型搭建、系统仿真、效果验证及重新修正模型的完整设计环节进行讲解。
“数字电路”课程的平时评价、卷面考核以及实践结果评价的课程评价体系，覆盖了每条预期学习成果，并按比例渗透到平时作业及卷面考核。课程评价方式包括平时评价、卷面考核以及实践结果评价三部分，对应考核比重分别占10%、80%和10%，具体实践时也可依据实践题目以及卷面考题难度对上述各考核标准比重做适当微调。卷面考核涉及本课程的基本概念、基本理论和设计能力，参考第二大部分的5个课程目标展开。
该评价体系设计具有可操作性强的评价模式和评价标准，并能与预期学习成果与评价挂钩。预期学习成果的每一条都具有可操作性的评价模式和评价标准。多轮次教学实践表明，此教学模式在实际使用取得了很好的教学成果。以卷面考核为例，图2是对2019-2021年度学生卷面各题的统计结果。其中，横坐标的数值分别对应着题目序号。
图2 2019-2021年“数字电路”课程各大题得分统计
经统计，近年来，卷面均分超过60分，出勤率高于90%，作业完成量 80%，系统设计成绩均分大于75%，即超过四分之三的学生能掌握复杂数字系统的分析与设计。采用“三位一体”的教学模式和教学方法，对学生做到平时监督、考试把关以及实践出真知这三方面进行较为全面的督促与评估，从而有效而圆满地达到预期学习目标及教学效果。
课堂教学、平时表现及实践教学三环节相互联系和互为反馈。从学生培养目标出发选择教学内容、从学生毕业要求出发选择考试题目，每一个题目都对应相应的毕业要求指标点，考试结束后课题组统计所有学生的所有题目答题情况，并综合分析学生各个指标点的达成情况，同时得出教学改进方案并在下一轮教学中予以实施。
下表2和表3分别是2017-2018年度和2020-2021年度“三位一体”教学模式实施前与实施后的课程得分和各题目得分情况统计。
从表2右边2020-2021年度分数可以看出，60分以上成绩的学生占比接近94%，平均分数更是高达76.5分，相较于表2左边数据60分以上人数增加11%，平均分也提高4分。这表明，通过“三位一体”教学模式的实施、实践与考核，所提出的教学方法能保证每个学生按照既定要求完成各学习环节，并且教学效果良好。
表2 “数字电路”2017-2018及2020-2021年度总分统计
下表3是“数字电路”“三位一体”教学模式实施前后的成绩统计对比。
表3 “数字电路”“三位一体”教学模式实施前后的统计
从表3中可以看出，2020-2021年度相较于2017-2018年度各题平均得分涨幅很大，每道题的及格率有大幅提升。同时，从表3可以看出，第3题组合电路设计得分明显偏低，教师们将组合电路设计内容加大力度讲解并融入实践环节中的第1题(表1中的照明控制电路)。通过教学内容及实践环节的引入，提升学生组合电路的设计能力。同时，将试题比例进行调整，增加组合电路设计比例并改变那形式；
与时序电路设计相结合，分散分布于第2题和第3题中。经过调整后，发现修正后的第2及第3题的教学效果有明显提升。
进一步地，采用调查表的方式抽取3个班共90个学生获取教学反馈，结果如下：
(1)所有学生表示喜欢和接受“三位一体”教学方法；
(2)有3/4的学生觉得“三位一体”教学方法有利于提高学习自主性，觉得此种教学方法能让学习互动性增强，完成相应的学习目标后可以获得一定的成就感。
提出了“三位一体”教学模式以课堂教学为基础，改善了传统的以知识讲授为目的，以考试为唯一检验标准的专业课授课模式，强化了学生学习的能动性。以学生兴趣提升为中心，将“学”和“用”融合在一起，通过“问答式课堂教学”，将课程任务和目标通过问题提出、设问及答案对比为主的策略融入课堂授课中；
进一步，融合“平时表现”以及“实践教学”环节，平时作业强调学生独立解决问题；
实践环节的分组讨论强调学生相互交流及协作能力的提升，且实践环节占比约三分之一，且配研究生助教和量化考核。该教学模式有效调动了学生的学习主动性和设计潜能，培养学生分析问题和解决问题的能力。真正将原理与实践相结合，做到学以致用，且给出了明确的评价标准。
经过多轮次“数字电路”的教学实践表明：“三位一体”教学模式实践效果良好，学生参与度高。通过各环节考核的逐年改善，所述“三位一体”教学模式及策略可有效保证第二部分中每条预期学习目标的达成，且实现了较为圆满的教学效果，值得继续推行。
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