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［摘要］數字電子技術課程是本校電子工程類學生重要專業背景課，該文就對分課堂提高學生積極性和參與感、雨課堂平臺追蹤學生學習進展、將理論與工程實踐以及EDA技術聯系起來、培養學生綜合能力等幾個方面進行探討，以期能改善高校數字電子技術課程教學效果，以學生為中心，突出能力培養。
［關鍵詞］數字電子技術；對分課堂；雨課堂；EDA設計
一、數字電子技術課程傳統教學存在的問題
美國國家訓練實驗室研究表明，在學習金字塔中，采用不同的學習方式，學習者學習內容的平均留存率有較大差距。若通過聽講、閱讀、視聽或演示方式學到的內容，學習者會以較快的速度遺忘；而通過討論、實踐或親自教授給他人等主動學習方式，則可以給學習者留下更深刻的記憶及認識。在傳統的數字電子技術教學過程中，教師通常采用“滿堂灌”的方法進行授課，側重知識灌輸，學生填鴨式被動接納內容。當然如果老師思路清晰，語言感染力強，可能教學效果還會略好，但對于講課死板的教師，尤其是教學內容枯燥晦澀時，非常容易使學生產生疲勞和厭倦，教師失趣，學生失序，效率極低。實際的教學過程中，特別是當教學對象變為伴著電子產品長大的“00后”一代，傳統的教學方法存在著諸多問題，并不完全適應新時代學生的特點[1]。教師授課時更多講解關于數字電子技術概念、定理，附加大量課后習題訓練，忽略了數字電子技術和實際實踐的聯系，缺少師生、生生之間的交互，使得部分學生感覺數字電子技術課程單調乏味，動力不足，即便直到課程結束也依然完全不能實際應用于工程實踐，無法與現代數字系統相適應。因此，我們在數字電子技術教學的實踐中對教學方法進行改進，以培養能力為目標、以綜合實踐為主線，遵循“課前學習—課上精講—小組討論—實驗實踐”的教學模式；形成了全程考核、評價反饋和教學策略持續優化的方式方法，在學習討論中掌握知識、拓展思維，在自主實踐中形成能力、激發創新。
二、“對分課堂”在數字電子技術課程中的應用
結合傳統課堂與討論式課堂的各自優勢，將“對分課堂”（PAD）引入教學，其教學過程劃分為三個階段，即講授（Presentation）、內化吸收（Assimilation）和研討（Discussion）[2]，把一半課堂時間分配給教師講授，一半時間分配給學生進行討論，既能充分發揮教師價值，又能調動學生積極性，實現高質量課堂互動。在該教學模式下，教師要適度減少課堂教學內容，一方面需進行更精細的教學設計，梳理出課堂內外的教學內容，另外一方面也需要采取有效措施來確保學生能在課外發生有效學習行為，取得可衡量的學習成效。在數字電子技術課程實施過程中以夯實理論為基礎，強化學生現代電子技術應用能力為目標，以綜合實踐為主線，將數字電路與EDA技術中的部分內容進行融合，重構教學內容，優化教學手段，課程教學設計圍繞以下幾個方面進行：
（一）調整教學內容。數字電路已進入超大規模集成電路時代，而EDA技術作為代表電路設計的最新發展方向，從培養專業人才的根本目的出發，通過對傳統的數字電路課程進行教學改革，將它與現代EDA技術相融合，縮短基礎理論知識與現代數字電路設計之間的差距，學生通過隨堂實驗直觀感受，了解利用EDA技術對數字電路進行分析和設計的基本方法，為后續專業課的學習奠定了基礎，實現理論與實踐教學的有機結合，培養學生的科技信息能力和工程實踐能力。數字電子技術課程由傳統的數字電路引入FPGA平臺、硬件描述語言等EDA技術后，教學重點從“培養集成器件的外部特性及應用能力”調整為“器件應用能力＋數字邏輯設計思維＋語言建模能力”，學習要求提高了而學時數不變，則需要對本課程教學內容進行變革調整?；诖宋覀儚膬煞矫孢M行改進，一是減少傳統數制碼制、邏輯函數化簡的學時，壓縮SSI集成電路的講解；簡要講解關于邏輯門電路的內容，在課程講述中穿插硬件描述語言的基本知識，講述硬件描述語言的語法結構以及并行語句、順序語句方面的知識，要求能用硬件描述語言設計簡單的組合、時序邏輯電路；二是在實驗課上講解相關軟件和硬件平臺的使用，學生完成基本實驗[3]，利用EDA軟件仿真功能，課下布置仿真實驗，完成理論性驗證，同時加大綜合設計實驗和自主研究實驗的比例。例如在數字電子技術移位寄存器學習過程中，對觸發器級聯構成移位寄存器的電路分析是非常重要的。其分析方法是，根據給定的邏輯電路圖，了解電路的輸入、輸出信號，了解觸發器的類型，根據觸發器特性方程得到觸發器狀態轉換，進而列出轉換表或畫出狀態圖和波形圖，即可確定電路的邏輯功能。若通過EDA軟件，使用硬件描述語（HDL）言對其進行仿真建模，既可以通過軟件邏輯綜合得到從HDL描述的數字邏輯電路模型中導出電路基本元件列表以及元件之間的連接關系，如圖1（a）所示；也可以通過調用ModelSim仿真得到相關信號時序圖，如圖1（b）所示。硬件描述語言用形式化方法描述數字電路和系統，利用這種語言，數字電路系統的設計可以從上層到下層，從抽象到具體，逐層描述自己的設計思想，用一系列分層次的模塊來表示極其復雜的數字系統，然后利用電子設計自動化EDA工具逐層進行仿真驗證，再把其中需要變為實際電路的模塊組合，經過自動綜合工具轉換到門級電路網表，提高電路設計的效率和可靠性。
（二）改進教學方式。1.課堂講授融入實際應用。目前數字電子技術教學通常開篇就開始講授二進制代碼、邏輯門、組合邏輯函數等，在該模式下，最大問題在于沒有講到為什么要學進制代碼、為什么要分析數字電路。也就是說通常我們教師并沒有提出數字電子技術課程學習的意義，也沒有說明它在實際中的應用。因此我們在教學中引入精選電子裝備和生活應用典型案例，對基本器件、基本原理、基本方法展開講解，從實驗現象或測試問題中發現問題，圍繞問題的解決開展教學和重難點分析，改變傳統理論教學滿堂灌的教學方式，運用案例式教學，學生通過研究工程實例，了解工程應用，從而學以致用，提高學習興趣，活躍課堂氣氛。2.課上課下實施口袋實驗。學生需轉變被動學習的觀念，結合實踐項目，鼓勵學生接觸和閱讀相關的數據文檔，研究實際工程案例和經典設計，采用口袋實驗室在任何時間、任何地點開展自主實驗，全方位提升電子實踐能力。例如在2020—2021學年度上學期課程中，采用了專為初學者打造的FPGA入門工具—STEPFPGA開發板，基于Altera公司芯片，小巧攜帶方便，板載資源豐富（如下表所示），板卡集成了下載器，一根MicroUSB數據線即可完成開發板的供電與下載，配套文字資源也是十分齊全。在課堂講授的同時，通過實驗環節，便于學生構建物理模型；在課下，學生可以隨時隨地開展自主探究實驗，有效拓展了課后作業的形式，有利于形成課上＋課下聯動學習的氛圍，便于培養學生的動手實踐能力的和提高創新意識。3.圍繞案例開展小組研討。研討是對分課堂理念中不可或缺的重要組成部分，基于同伴學習的理念，設立小組，開展合作學習（3—5人一組），發揮學生幫輔的作用，相互督促。根據教學內容，結合新技術、新方法的運用，開展研討活動，由教師提供擴展學習資料、提出問題，學生自主探索，并在此基礎上開展以小組為單位的合作研討，提高既定學習目標達成率。將平時表現納入最終的期末考核評價，考核中既有針對小組共性的評價標準，也有學生個人表現評價標準。4.結合線上注重個性學習。對分課堂不僅包括課堂重難點講授、小組研討學習，更充分利用信息化資源和手段，利用移動互聯網時代帶來的紅利，輔助以移動端的在線學習。雨課堂是一款清華大學和學堂在線共同推出的新型智慧教學工具，將信息技術融合于PPT和微信平臺[4]，能夠由后臺系統記錄細節性教學行為數據。因此選擇以雨課堂平臺為“器”，深入關注學生學習成效。課前要求學生在規定時間內完成雨課堂課前預習推送，在教師指導下完成課前基本概念、基本原理的自學，也可插入慕課視頻或其他網絡教學資源，手機設置，同時在課件中設定的少量習題。教師通過雨課堂數據采集功能獲得課前預習反饋，如學生是否完整觀看PPT課件、觀看總時長以及完成時間等，通過該反饋了解每個學生的預習情況。提倡學生課前深度學習，完成既定學習目標和課前測試，圍繞課中講授及研討，精準解決問題。教學結束后，對于傳統課堂，教師一般通過布置作業，學生上交作業本，批改作業，獲得教學反饋，但是該方式難以統計、記錄學生真實情況，此時可利用雨課堂對學生課后復習進展進行監測。以PPT課件的形式推送單選題、多選題、計算題、主觀題等，總體上關注核心知識點的掌握，不必為難學生。設置時間、作業提交截止時間以及學生看到解答的時間，線上批改。雨課堂無須教師手動統計Excel，可以直接將學生測試成績、結果數據提供給教師端，如圖2所示，該數據使教師一目了然學生的參與情況、知識點的駕馭情況，為平時成績提供重要依據。在課后推送中，亦可加入相關知識點拓展，滿足不同學生學習需求，創新課后多元化作業，因材施教，注重學生個性化學習。
三、課程考核
按照課程改革的總體設計，本課程一直遵循“形成性考核和終結性考核相結合”的總體要求。在教學活動中展開實施“理論知識隨堂考，實踐能力全程考，綜合能力終結考”的具體做法，以學習成效為中心，促進學習效果的實質性提升。在學習過程中，通過兩個途徑實施獎勵。一是對學習過程中學生表現出的個別優秀的點予以充分表揚，力度要大，用詞要舍得的；二是在進入中后期階段，部分優秀的學生脫穎而出，無論是態度還是成績，都很優秀，此時給予實質性獎勵，如當堂宣布期末考試有相應加分或者實物獎勵（口袋實驗室器材）。讓這部分學生不再為成績是否及格糾結，專注課程的學習，同時也示范給成績中下水平的學生，以此激勵。淘汰機制沒有效建立和運作起來的現階段，應該引導和督促學生把主要精力放在學習知識培養能力方面。教師在實施過程中通過建立“預警機制”來督促學習，對學習過程中出現的明顯成績落后不投入不努力不上心的學生，通過測驗、考核、提問、互動、關心等措施予以關心，促進其有效轉變。本課程考核評價中總成績由平時成績、實驗成績、期末終結性考核三部分構成，各占比30%、30%、40%，平時成績又分為平時互動及線上雨課堂推送完成情況，其中平時表現的評價標準為是否積極參與教學互動、課堂展示，而是否能夠在規定時間內完成基本實驗及綜合設計實驗則是學生實踐能力的重要評判依據。也就是說考核的每一項在總分中都占一定的比例，對最后的總成績都會有影響?？己瞬⒉坏扔诳荚嚕扇「鞣N考核方式就是為了全方位多角度地督促學生學習，在這個過程中挖掘、鍛煉和提升學生思維能力、溝通能力、團隊協作能力等，同時考查學生對課程知識的掌握情況。
四、結語
對分課堂應用于數字電子技術課程中，對課堂教學內容做減法，精煉講授，拓展研討，配合實驗環節，可以使學生更加扎實掌握數字系統理論知識，對數字邏輯電路和數字系統有更深入的理解，具備大規?？删幊踢壿嬈骷M行數字電路設計和開發能力，具備解決實際問題的能力。加之移動端雨課堂平臺在課前及課后推送預先設計好的PPT，對相關數據進行采集與統計，形成客觀而全面的評價。在實施過程中，不是僅僅丟給學生一堆學習任務，而是幫助學生制定好學習目標，告訴學生要訓練什么能力；其次重點是指導學生如何進行數字電子技術的學習，具備可操作性和針對性，明確告訴學生應該怎么做，對于培養學生良好的自學習慣，提升教學效果，是一次難得的機會。
作者:王肖君 吳蘇 朱旭芳 單位:海軍工程大學電子工程學院
