秦懷宇，陳 歡

（1.江蘇科技大學(xué),張家港,215600 2.無錫科技職業(yè)學(xué)院,無錫,214028）

1 工程教育認(rèn)證背景下的數(shù)字電子技術(shù)課程重構(gòu)

2013年6月，我國工程教育成功加入《華盛頓協(xié)議》。該協(xié)議成立于1989年，現(xiàn)有美國、俄羅斯、日本、韓國、加拿大、英國、澳大利亞等15個(gè)正式成員組織和德國、印度等5個(gè)臨時(shí)成員，覆蓋亞洲、美洲、歐洲、非洲、大洋洲。其宗旨是，通過多邊認(rèn)可工程教育學(xué)歷，推動(dòng)全球工程教育質(zhì)量提升，促進(jìn)工程技術(shù)人員跨國（境）流動(dòng)。這是我國提升工程教育水平、與國際加快接軌的重大契機(jī)，但是改革現(xiàn)有教學(xué)方法的工作繁重、任務(wù)艱巨、時(shí)間緊迫。在重新審視數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)諸多不足。

工程教育認(rèn)證的通用標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生掌握工程基礎(chǔ)知識(shí)和本專業(yè)的基本理論知識(shí)，具有系統(tǒng)的工程實(shí)踐學(xué)習(xí)經(jīng)歷，具備設(shè)計(jì)和實(shí)施工程實(shí)驗(yàn)的能力，并能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。數(shù)字電子技術(shù)作為電子信息與電氣工程類專業(yè)的基礎(chǔ)類課程，兼具較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。以往為了兼顧理論和實(shí)踐，在培養(yǎng)計(jì)劃中，將實(shí)驗(yàn)單獨(dú)授課，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，輔以單元電路的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，缺點(diǎn)是忽視了課程的工程性，給人以理論與實(shí)踐并重的假象。學(xué)生對(duì)課程缺少框架性的認(rèn)識(shí)，知識(shí)結(jié)構(gòu)與層次未建立起來。

針對(duì)上述問題，以工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程進(jìn)行了教學(xué)改革探索。從單純向?qū)W生傳授知識(shí)點(diǎn)的灌輸式教育模式，向以學(xué)生為中心、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變。在傳授知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，幫助學(xué)生站在項(xiàng)目的高度，貫穿、梳理知識(shí)架構(gòu)；在實(shí)踐過程中，實(shí)施多層次、立體化教學(xué)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。由此，學(xué)生在基礎(chǔ)知識(shí)的理解、工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等方面都有顯著提高。

2 工程教育認(rèn)證下的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

以往教師注重知識(shí)點(diǎn)與技術(shù)理論的講授，卻忽視了“學(xué)以致用”的終極目標(biāo)。而工程教育認(rèn)證恰恰為這一目標(biāo)設(shè)計(jì)，其核心要求是學(xué)生在大學(xué)畢業(yè)后，能夠具備工程技術(shù)人才的基本素質(zhì)。

在這一標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下，重新安排了現(xiàn)有課程體系和資源，將理論教學(xué)與工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的一體化教學(xué)。設(shè)計(jì)了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在理論課上進(jìn)行項(xiàng)目導(dǎo)入、構(gòu)思，在實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行分模塊、分層次實(shí)施，并開展項(xiàng)目小組團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新實(shí)踐，使學(xué)生全面、系統(tǒng)掌握各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)涵及其相互關(guān)聯(lián)。

以“數(shù)字交通燈”為例，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)、制作。該項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)一套十字路口交通燈，不僅具備基本的交通指示功能，還具備急車強(qiáng)通、交通異常等功能。項(xiàng)目設(shè)計(jì)可從交通燈顯示開始，再將其他模塊逐個(gè)完善。整個(gè)流程需用到門電路、組合邏輯、時(shí)序邏輯等內(nèi)容，運(yùn)用多種實(shí)驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)，如下表所示。

表1 “數(shù)字交通燈”項(xiàng)目設(shè)計(jì)

實(shí)踐設(shè)計(jì)目標(biāo)具體如下：

第一階段目標(biāo)。用鎖存器和門電路實(shí)現(xiàn)交通燈亮滅，用指示燈標(biāo)明通行規(guī)則，這里需要觸發(fā)器與控制邏輯的知識(shí)點(diǎn)。

第二階段目標(biāo)。在第一層次的基礎(chǔ)上，增加數(shù)碼管時(shí)間顯示功能。此目標(biāo)有助于培養(yǎng)學(xué)生綜合利用部分知識(shí)點(diǎn)解決問題的能力。

第三階段目標(biāo)。在前兩個(gè)層次的基礎(chǔ)上，增加倒計(jì)時(shí)功能，即根據(jù)主干道綠燈通行45秒、支干道綠燈通行30秒、黃燈緩沖5秒的規(guī)則，使數(shù)碼管與發(fā)光二極管同步顯示。此部分需要用到計(jì)數(shù)器、脈沖發(fā)生器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等知識(shí)，有助于學(xué)生建立數(shù)電中的重要概念——時(shí)序。

第四階段目標(biāo)。在前三層次的基礎(chǔ)上，增加急車強(qiáng)通開關(guān)控制。如有急車來時(shí)，將急車強(qiáng)通開關(guān)接通，無論原來交通燈如何運(yùn)行，一律讓急車來車方向綠燈亮，為急車放行，直至急車通過。急車一過，斷開強(qiáng)通開關(guān)，隨后按正常時(shí)序控制。這部分需要設(shè)計(jì)去抖電路，以增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

第五階段目標(biāo)。對(duì)交通異常情況進(jìn)行控制。比如，在現(xiàn)實(shí)生活中的交通可能會(huì)出現(xiàn)東西方向的車輛過多發(fā)生堵塞，而南北方向車輛卻很稀少。這時(shí)正常的信號(hào)燈時(shí)序?qū)?huì)使交通狀況更加惡化。這部分的處理方式是由傳感器根據(jù)外界實(shí)際情況來對(duì)信號(hào)燈控制，即增加擁堵道路綠燈通行時(shí)間。

第六階段目標(biāo)。這是最高層次，鼓勵(lì)學(xué)生用先進(jìn)技術(shù)解決實(shí)際問題，如用CPLD/FPGA實(shí)現(xiàn)交通燈的控制。

在以上層次的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)電路板，完成作品。

這些影響選型的因素可歸類為目標(biāo)環(huán)境(平臺(tái)、性能和UI交互)、成本約束(成本、研發(fā)周期)、業(yè)務(wù)需求(業(yè)務(wù)類型、更新頻度)和技術(shù)儲(chǔ)備(團(tuán)隊(duì)儲(chǔ)備、社區(qū)資源)等，開發(fā)團(tuán)隊(duì)需根據(jù)需求識(shí)別出核心的影響因素，選定應(yīng)用類型，進(jìn)而綜合考慮其他因素，參照選型策略參考模型選擇開發(fā)模式和具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

這樣，隨著課程的深入、知識(shí)的積累，在基本項(xiàng)目中不斷加入新功能，對(duì)系統(tǒng)的完整性和實(shí)用性不斷提出更高的要求，有助于為學(xué)生提供更多自主學(xué)習(xí)的空間。

3 以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)實(shí)踐

項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)實(shí)踐，以培養(yǎng)具有相當(dāng)理論基礎(chǔ)的工程實(shí)踐人才為宗旨，在重視理論知識(shí)的同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)，形成“教”與“學(xué)”的一體化模式。

3.1 項(xiàng)目貫穿理論 教學(xué)始終

從數(shù)字電子技術(shù)的第一節(jié)課，就提出交通燈控制的課題，有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)該門課程的作用，明確學(xué)習(xí)目的。教授基礎(chǔ)理論時(shí)，向?qū)W生提出相關(guān)設(shè)計(jì)目標(biāo)，鼓勵(lì)他們積極思考、查閱海量資料。例如，在講解完門電路相關(guān)知識(shí)以后，提出如何設(shè)計(jì)一組二極管發(fā)光電路，要求滿足交通燈顯示邏輯。此時(shí)，可以現(xiàn)場布置課堂作業(yè)，用電路仿真軟件仿真其顯示效果。學(xué)生在這一仿真過程中，可以很好的理解門電路，掌握典型門電路的設(shè)計(jì)。然后，數(shù)碼管顯示問題就自然形成，從而引出編碼器、譯碼器的知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)而延伸到整個(gè)組合邏輯電路。交通燈已初具雛形，為了達(dá)到計(jì)時(shí)、存儲(chǔ)的目的，又用到鎖存器和觸發(fā)器的知識(shí)。學(xué)到這里，可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)存在的問題，即發(fā)光二極管顯示與數(shù)碼管顯示的時(shí)間關(guān)系，讓其明白該處可謂整個(gè)項(xiàng)目的重中之重，當(dāng)然也是數(shù)字電路的核心，從而拉開時(shí)序邏輯電路學(xué)習(xí)的大幕。隨著課程的深入，各個(gè)知識(shí)點(diǎn)不斷擴(kuò)充，項(xiàng)目功能一一實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生在多層次目標(biāo)的完善中，建立起了知識(shí)架構(gòu)，為實(shí)戰(zhàn)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中項(xiàng)目的啟動(dòng)與運(yùn)作

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，堅(jiān)持驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，并將不同目標(biāo)的層次融入到實(shí)驗(yàn)中。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備及要求，獨(dú)立思考、查閱資料、提出實(shí)驗(yàn)方案，充分利用EDA 工具對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析、完善，提高實(shí)驗(yàn)成功率。

在實(shí)際動(dòng)手過程中，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性、調(diào)動(dòng)其創(chuàng)造性、呵護(hù)其學(xué)習(xí)熱情，允許犯錯(cuò)，并從失敗中找出成功的經(jīng)驗(yàn)。例如剛開始使用Multisim軟件仿真電路時(shí)，學(xué)生還沒有建立起性價(jià)比、體積和可靠性等工程設(shè)計(jì)理念，電路雖達(dá)到要求，但使用到很多種類和數(shù)量的器件，甚至還設(shè)計(jì)出一些通用器件，因此在安裝、調(diào)試的時(shí)候，面對(duì)如此繁雜的電路，往往一籌莫展。經(jīng)過這一過程，使學(xué)生逐步認(rèn)識(shí)到項(xiàng)目設(shè)計(jì)中不僅要考慮到功能性，還應(yīng)綜合考慮成本、體積、性能等多種指標(biāo)，從而積累寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。

3.3 項(xiàng)目小組的團(tuán)隊(duì)協(xié)作

對(duì)于難度較深的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，3～5名學(xué)生為單位構(gòu)成項(xiàng)目小組，共同完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。教師指導(dǎo)學(xué)生把實(shí)驗(yàn)方案選定、步驟設(shè)計(jì)、現(xiàn)象觀察、結(jié)果分析等內(nèi)容按照論文的形式寫出來，對(duì)于設(shè)計(jì)實(shí)物按照產(chǎn)品說明書的形式攥寫。這樣有利于學(xué)生總結(jié)整個(gè)設(shè)計(jì)過程，獲取工程經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

在工程教育國際認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)施了以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)方式。通過與傳統(tǒng)教學(xué)模式比較，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生無論是在學(xué)習(xí)積極性、理論知識(shí)的完善，還是工程實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)合作能力等方面都有顯著提高。

4.1 被動(dòng)學(xué)習(xí)變主動(dòng)學(xué)習(xí)

4.2 擴(kuò)大了學(xué)生的知識(shí)面

對(duì)項(xiàng)目的逐層深入，要求學(xué)生不能把著眼點(diǎn)放在某一個(gè)章節(jié)，而是要發(fā)散到多個(gè)章節(jié)、多門課程，甚至整個(gè)專業(yè)方向。

4.3 工程實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)顯著增強(qiáng)

通過項(xiàng)目實(shí)踐，學(xué)生從資料查閱、電路仿真、器件選型到制版連線、安裝調(diào)試、報(bào)告攥寫等各方面能力都得到顯著提高，且團(tuán)隊(duì)配合的形式使學(xué)生更加意識(shí)到交流合作精神的重要性。

4.4 深化實(shí)驗(yàn)室管理模式

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式有利于實(shí)驗(yàn)室的深度開放，極大提高了實(shí)驗(yàn)室的利用率，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理制度的不斷創(chuàng)新。

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