馬習(xí)平 冉興萍

摘要：數(shù)字邏輯課程是電子信息及計(jì)算機(jī)類專業(yè)的一門專業(yè)必修基礎(chǔ)課程，通過分析目前該課程在我校的教學(xué)情況及存在的問題，在新工科的背景下提出從整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，融入思政元素，結(jié)合Logisim仿真工具設(shè)計(jì)理論教學(xué)案例和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，探索混合式教學(xué)方法和改革考核方式這幾個(gè)方面探索課程改革。研究表明，從以上四個(gè)方面進(jìn)行的課程改革探索有利于培養(yǎng)學(xué)生高尚的德行，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性，自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：Logisim;混合式;課程改革;思政元素;理實(shí)結(jié)合

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）16-0155-03

1 引言

自2017年以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，提出了很多指導(dǎo)性的意見，全國各大高校也積極行動(dòng)起來助力新工科建設(shè)。新工科專業(yè)主要指針對新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)，以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，以智能制造、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器人等對傳統(tǒng)工科專業(yè)進(jìn)行升級改造，旨在培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才[1]。芯片技術(shù)是我國目前的“卡脖子”技術(shù)之一，而數(shù)字邏輯課程的主要內(nèi)容數(shù)字電子技術(shù)，是與芯片技術(shù)有著密切的基礎(chǔ)課程，這門課程的學(xué)習(xí)能夠幫助學(xué)生了解集成芯片，掌握數(shù)字系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法，能夠幫助學(xué)生提高動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

數(shù)字邏輯課程目前的改革主要是采用Multisim軟件[2]、LabVIEW軟件[3]、FPGA[4]技術(shù)和小模塊可移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)電路板開展項(xiàng)目式教學(xué)，主要是在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革探索。本文從我校的實(shí)際情況出發(fā)提出從整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容并融入思政元素，利用Logisim仿真軟件設(shè)計(jì)課程教學(xué)案例和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，采用多樣的教學(xué)方法和改革考核方式這幾個(gè)方面探索課程改革，旨在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生高尚的德行，自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

2 數(shù)字邏輯課程教學(xué)現(xiàn)狀與問題

數(shù)字邏輯這門課程是電子信息類專業(yè)及計(jì)算機(jī)類專業(yè)和的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。目前我校該課程開設(shè)在大二第一學(xué)期，總學(xué)時(shí)為64學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)16學(xué)時(shí)。由于師資緊張，該課程采用的是大班授課模式，一般為80人左右的規(guī)模，教學(xué)環(huán)境為多媒體教室。存在的主要問題有：1）學(xué)生課堂參與度比較低，傳統(tǒng)教學(xué)過程中多采用的滿堂灌的教學(xué)方式[5]，注重公式的推導(dǎo)，定理的證明，電路的分析與設(shè)計(jì)等多是借助PPT進(jìn)行講解，學(xué)生被動(dòng)接受。2）學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低、課堂氣氛死氣沉沉，現(xiàn)在我們的學(xué)生都是電子產(chǎn)品及互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境伴著成長的，手機(jī)幾乎是時(shí)刻不離身，采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式不能吸引學(xué)生的眼球。3）教學(xué)內(nèi)容重理論輕實(shí)踐，學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確。在與學(xué)生的交談中了解到學(xué)生認(rèn)為課程中教師過分注重理論知識的講解忽略了知識的實(shí)際應(yīng)用，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)也僅僅是照著老師的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)機(jī)械地連線，覺得學(xué)習(xí)內(nèi)容挑戰(zhàn)度和創(chuàng)新性不夠。4）課程考核方式單一，使得部分學(xué)生認(rèn)為只要按時(shí)交作業(yè)，期末考試通過就可以。要實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生學(xué)起來、忙起來的目標(biāo)必須對當(dāng)前的教學(xué)內(nèi)容及課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革。

3 課程改革

3.1 優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容

由于人才培養(yǎng)目標(biāo)的差異性，我系計(jì)算機(jī)類專業(yè)僅開設(shè)了數(shù)字邏輯一門基礎(chǔ)硬件課程沒有開設(shè)其先導(dǎo)性課程模擬電子技術(shù)，所以在選擇教學(xué)內(nèi)容時(shí)需要補(bǔ)充模電的部分知識同時(shí)考慮到我院學(xué)生中60%左右的是南疆同學(xué)而且整體學(xué)生的基礎(chǔ)比較弱，還要對門電路這塊內(nèi)容進(jìn)行簡化講解。這門課程的后續(xù)硬件課程是計(jì)算機(jī)組成原理，因此數(shù)字邏輯課程的重點(diǎn)內(nèi)容是組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)，最終目的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)簡單數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。因此將該課程的內(nèi)容整合為6個(gè)部分，第一部分為數(shù)字邏輯基礎(chǔ)知識，第二部分為集成門電路（略講），第三部分為組合邏輯電路，第四部分時(shí)序邏輯電路，第五部分脈沖波形的產(chǎn)生和整形電路，第六部分?jǐn)?shù)/模（D/A）和模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。具體內(nèi)容如圖1所示。

3.2 融入思政元素

課程思政是一種教育教學(xué)理念[6]，高校是培養(yǎng)祖國建設(shè)者和接班人的主陣地，人才培養(yǎng)質(zhì)量的高低關(guān)鍵在課程建設(shè)[7]。每一門課程都具有傳授知識培養(yǎng)能力及思想政治教育雙重功能，承載著培養(yǎng)大學(xué)生世界觀、人生觀、價(jià)值觀的重要作用。因此在數(shù)字邏輯課程中如何潤物細(xì)無聲地融入思政元素非常重要。本文中思政元素的融入主要以社會(huì)主義核心價(jià)值觀的引導(dǎo)而設(shè)計(jì)，吸取社會(huì)主義核心價(jià)值觀的精髓依據(jù)進(jìn)行。在學(xué)習(xí)二進(jìn)制表示法時(shí)1后面的0越多表示這個(gè)數(shù)越大從而引入團(tuán)隊(duì)合作精神，在現(xiàn)實(shí)生活與工作中經(jīng)常需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作，聚集大家的力量有可能把事情做得更好;在學(xué)習(xí)集成門電路時(shí)可以結(jié)合中國目前的卡脖子技術(shù)集成芯片展開激發(fā)學(xué)生的愛國熱情;在學(xué)習(xí)組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法時(shí)引導(dǎo)學(xué)生掌握解題的方法和規(guī)律，運(yùn)用我們總結(jié)的一般方法去解決同一類問題，同時(shí)也要注意每個(gè)問題的特殊性，用辯證的觀點(diǎn)看問題。在學(xué)習(xí)觸發(fā)器的過程中告訴學(xué)生觸發(fā)器是具有記憶存儲(chǔ)功能的，雖然它也是由門電路組成但是它與組合邏輯電路功能不同，從而引導(dǎo)學(xué)生要勤于思考，要有創(chuàng)新精神，敢于突破常規(guī);在試驗(yàn)教學(xué)中要提醒學(xué)生注意，理論設(shè)計(jì)結(jié)束后，需要進(jìn)行仿真驗(yàn)證才能搭建實(shí)際電路，強(qiáng)調(diào)理論要與實(shí)際統(tǒng)一，引導(dǎo)學(xué)生注重科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性、實(shí)踐性。

3.3 借助Logisim軟件設(shè)計(jì)闖關(guān)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

目前數(shù)字邏輯課程的實(shí)驗(yàn)有兩種模式，一種是虛擬仿真另一種是以試驗(yàn)箱為基礎(chǔ)的實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真形式的實(shí)驗(yàn)常借助Multisim軟件、LabVIEW軟件等軟件進(jìn)行[8]，這些軟件中用到的器件例如譯碼器、計(jì)數(shù)器等都是現(xiàn)成的集成芯片僅注重具體器件的用法，不利于學(xué)生對譯碼器、計(jì)數(shù)器原理的理解，對數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的理念穿插得較少。而傳統(tǒng)的以試驗(yàn)箱為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生僅僅是按照老師給的試驗(yàn)原理圖去連接線路，連線較多的容易出錯(cuò)，沒有起到鍛煉學(xué)生的電路分析設(shè)計(jì)能力，并且硬件也限制了只能在特定的試驗(yàn)場所中進(jìn)行，特別是在目前疫情常態(tài)化的形勢下顯得格外不便。鑒于以上兩種模式的缺陷，本文提出借助Logisim軟件設(shè)計(jì)闖關(guān)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，可以利用互聯(lián)網(wǎng)在頭哥教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行。

Logisim軟件是一款用于數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模擬軟件，操作簡單、易學(xué)，搭建電路方便而且可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測輸入數(shù)據(jù)對輸出結(jié)果的影響，容易幫助學(xué)生理解數(shù)字邏輯中的基本概念，掌握電路設(shè)計(jì)思想。而且它內(nèi)部也有集成芯片庫，也可以方便地進(jìn)行芯片邏輯功能的驗(yàn)證?？紤]到與后續(xù)課程計(jì)算機(jī)組成原理的銜接，以及實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的有限，本課程的試驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置主要針對的理論教學(xué)內(nèi)容為第一、第三和第四部分設(shè)計(jì)了6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，第一部分設(shè)計(jì)了1個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，主要針對邏輯函數(shù)及其描述工具，側(cè)重點(diǎn)在邏輯函數(shù)的5種描述方法的理解和Logisim軟件的熟悉，第三部分是組合邏輯電路設(shè)計(jì)了3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要針對組合邏輯電路的分析設(shè)計(jì)，常用邏輯器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，第四部分設(shè)計(jì)了2個(gè)實(shí)驗(yàn)，主要針時(shí)序邏輯電路的分析設(shè)計(jì)、常用時(shí)序邏輯器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有4-6關(guān)卡，除實(shí)驗(yàn)一外所有的項(xiàng)目中涉及了電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)，打破了以往的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)少的模式，目的是以加深對理論知識的理解與應(yīng)用。實(shí)踐教學(xué)中除常規(guī)的試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置外還設(shè)計(jì)了綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，考慮到學(xué)生的實(shí)際情況，綜合性實(shí)訓(xùn)題目為十字路口交通燈的設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)的關(guān)卡包括顯示譯碼器的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)比較器，多路選擇器，計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)及狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)最終集成實(shí)現(xiàn)為交通燈系統(tǒng)。整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)關(guān)卡由簡到難，層次遞進(jìn)，從器件到部件，從部件到系統(tǒng)，以幫助學(xué)生建立數(shù)字邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。

3.4混合式教學(xué)改革措施

3.4.1以成果導(dǎo)向教育理念為指導(dǎo)明確教學(xué)目標(biāo)

成果導(dǎo)向教育理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心[9]，教學(xué)的實(shí)質(zhì)是教會(huì)學(xué)生學(xué)習(xí)方法，啟發(fā)學(xué)生自主思考，勇于創(chuàng)新探究，學(xué)會(huì)如何學(xué)習(xí)。首先我們要明確該課程的教學(xué)目標(biāo)，考慮到課程后續(xù)銜接課程的特點(diǎn)結(jié)合我區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，該門課程的教學(xué)目標(biāo)是：使學(xué)生掌握數(shù)字電子技術(shù)方面的基本理論、基本方法和基本技能，掌握數(shù)字邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題及解決實(shí)際問題的能力，自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。充分利用第一堂課的時(shí)間幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)即通過這門課程的學(xué)習(xí)我們能收獲什么，可以通過演示十字路口交通燈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓學(xué)生有一個(gè)明確的認(rèn)識，然后結(jié)合課程的教學(xué)內(nèi)容幫助學(xué)生理順要實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)結(jié)果需要學(xué)習(xí)哪些方面的內(nèi)容，從而使學(xué)生有的放矢激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

3.4.2采用多樣化的教學(xué)模式

改變傳統(tǒng)的以教師為主的講授式的教學(xué)方式，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容以高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度為導(dǎo)向設(shè)計(jì)教學(xué)，采用多樣化的課堂教學(xué)形式。調(diào)整傳統(tǒng)的先講后練的教學(xué)模式，采用線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式[10]。線上教學(xué)資源主要是借助中國大學(xué)MOOC網(wǎng)上的國家級精品課程華中科技大學(xué)的數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)這門課程的視頻作為主要的學(xué)習(xí)資源。提前給學(xué)生布置預(yù)習(xí)作業(yè)，利用雨課堂為工具推送預(yù)習(xí)PPT或者采用每節(jié)課課程任務(wù)單的形式，為了不增加學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)，對于較為簡單的內(nèi)容，或僅需要了解的內(nèi)容可以在課前布置任務(wù)，課中再給部分時(shí)間讓學(xué)生自學(xué)后，教師根據(jù)學(xué)生作業(yè)反饋情況針對性講解;對于重點(diǎn)章節(jié)的內(nèi)容在設(shè)計(jì)任務(wù)單時(shí)可以加入具體案例設(shè)計(jì)需要學(xué)生提前預(yù)習(xí)，課堂中主要以分組討論，設(shè)計(jì)展示和問答的形式開展，充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，同時(shí)也可設(shè)計(jì)一些實(shí)時(shí)測試，讓學(xué)生在課堂中忙起來。

3.4.3不斷建設(shè)更新豐富教學(xué)資源

除了借助優(yōu)質(zhì)的MOOC資源外，教師也應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)工具不斷補(bǔ)充優(yōu)化自己的教學(xué)資源。本文利用Logisim軟件進(jìn)行理實(shí)相結(jié)合的教學(xué)案例設(shè)計(jì)。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容對于不同章節(jié)知識點(diǎn)可以提前利用軟件設(shè)計(jì)好教學(xué)案例，方便課中使用，讓學(xué)生體會(huì)邊學(xué)習(xí)理論知識邊進(jìn)行實(shí)踐設(shè)計(jì)的感覺。在課堂教學(xué)中運(yùn)用Logisim軟件隨時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性教學(xué)。

4 考核方式改革

考核評價(jià)是教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，激勵(lì)學(xué)生勤奮學(xué)習(xí)的重要舉措，也是教師進(jìn)行教學(xué)反思的依據(jù)。但傳統(tǒng)的考核方式中一般采用平時(shí)成績（30%）+期末考試成績（70%），平時(shí)成績主要包括考勤和平時(shí)作業(yè)，這種單一的考核方式不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，為了更全面、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，采用多樣化的考核方式，細(xì)化考核規(guī)則，使得考核評價(jià)環(huán)節(jié)更具科學(xué)性和合理性?？己思?xì)分為平時(shí)（30%）+實(shí)驗(yàn)（20%）+期末（50%），具體如表1所示。

5結(jié)束語

在新工科背景下，借助Logisim軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)相結(jié)合，對課程內(nèi)容做優(yōu)化，對課程要求做加法，充分借助互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)資源，對教學(xué)形式多樣化進(jìn)行探索，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。課程授課過程中始終滲透成果導(dǎo)向教學(xué)理念，將思政元素融入日常教學(xué)，調(diào)整傳統(tǒng)教學(xué)模式，變換為先學(xué)后教，以學(xué)生為主導(dǎo)老師為指導(dǎo)的學(xué)與教模式。同時(shí)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行關(guān)卡式設(shè)計(jì)，增加實(shí)驗(yàn)的趣味度，同時(shí)增大設(shè)計(jì)與應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)比例，增加綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，最后對傳統(tǒng)考核方式進(jìn)行改革，注重過程性評價(jià)。實(shí)踐表明，通過上述不同方面的教學(xué)改革有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生高尚的德行，自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉吉臻，翟亞軍，荀振芳.新工科和新工科建設(shè)的內(nèi)涵解析——兼論行業(yè)特色型大學(xué)的新工科建設(shè)[J].高等工程教育研究，2019（3）：21-28.

[2] 鄧濤，朱明強(qiáng).在線教學(xué)模式下數(shù)字電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)[J].教育教學(xué)論壇，2021（6）：169-172.

[3] 陶苗苗，王愛紅，鄒亞琪.基于LabVIEW的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革研究[J].教師，2020（35）：121-122.

[4] 王彩鳳.基于FPGA的EDA課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].高師理科學(xué)刊，2018，38（2）：91-93.

[5] 柴妍紅.高校工科課程實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂的影響因素研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2016：8-9.

[6] 程鴻，黎軒，許耀華，等. “數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程思政研究初探[J].工業(yè)和信息化教育，2021（3）：5.

[7]張大良.課程思政：新時(shí)期立德樹人的根本遵循[EB/OL].[2021-05-25].https：//www.sohu.com/a/443016393_284354.

[8] 韓夢玲， 蔣留兵， 張子寧，等. 開放式數(shù)字邏輯課程虛擬仿真教學(xué)共享平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 大眾科技， 2020， 22（7）：3.

[9] 曹貝.基于工程教育認(rèn)證的“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革[J].黑龍江教育（理論與實(shí)踐），2021（4）：69-70.

[10] 吳東，張烈平.“雙萬計(jì)劃”背景下《數(shù)字電路》課程混合式教學(xué)模式探索[J].大眾科技，2021，23（3）：83-85.

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