1、 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
2、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
3、 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 pract
4、ice 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 digi
5、tal 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
6、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 t
7、eaching 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;teachin
8、g 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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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