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融合CDIO的数字逻辑实验教学改革探索

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  摘要:改革传统数字逻辑电路实验教学模式,探索融合CDIO先进的工程教育理念,以“简易数字跑表”实验为例,从项目内容、项目要求到项目评价三个角度介绍了新的实验教学方法,使学生在“构思—设计—实现—运作”四个阶段较好地发挥主观能动性,在对整体知识结构的掌握、单一知识点的理解、工程实践能力的训练、团队协作意识的提高各个方面,均取得明显的效果。
  关键词:CDIO;数字逻辑电路;实验教学
  中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2019)25-0136-02
  一、背景
  CDIO理念是以麻省理工学院为首的全球几十所著名大学倡导的现代工程教育框架,是当前国际工程教育最新的发展方式,集构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)四个阶段为一体。它以产品研发到运行的生命周期为载体,让学生以主动、贯穿式、实践的方式学习工程性明显的课程,从而能够在课堂理论学习和实验项目完成的基础上,提高工程实践能力。
  数字逻辑电路是工科高等教育的一门重要专业基础课程。该课程对于培养学生分析计算能力、实验操作能力、研究设计能力和科学归纳能力等有着重要的作用。除理论教学外,必须配以一定的实践环节,才能使学生更好地掌握课程内容,而且实验项目的内容设计对于整个教学过程中学生能力的培养起着至关重要的作用。教育部在《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》(教高[2005]1号)中有关本科实验教学工作中提出,要“大力加强实践教学,切实提高大学生的实践能力”。《数字逻辑电路》无论是课程内容和课程特点,还是课程地位,都决定了其实验教学环节必须肩负提高学生综合实践能力和培养学生工程实践素质的责任。
  二、传统数字逻辑电路实验项目存在的问题
  《数字逻辑电路》是我校(中国石油大学(华东))通信工程专业的一门专业必修基础课,针对课程自身特点和其在整个专业培养方案中的地位,课程组已经对其理论和实验内容教学进行了深入调研和分析,做到了理论和实验相结合、硬件实验和软件仿真相补充,但在以下几个方面仍存在一定的问题。
  1.实验内容缺乏综合性,系统度不够。传统的实验环节是学到某个章节,针对该章的知识点布置简单的实验内容,学生也可以很快地理解要求完成实验,但课程结束后对一些综合性的电路分析和设计理不清思路,缺乏整体性,系统度不够。
  2.实验要求缺乏独创性,工程力不足。传统实验教学环节虽然也有简单的综合性实验项目,但是要求过于死板,没有给学生提供独创的空间,实验内容与实际工程结合度不高,无法激发学生的兴趣,致使学生缺乏独立思考和参与热情。
  3.结果评价缺乏多元性,过程化不显。单纯的实验报告评价和现场实验操作的简单考核,没有考查到不同学生在实验设计过程中的方案论证、缜密思考和调试修改等环节,无法激发学生的主观能动性,不可避免地存在学生把写实验报告当成负担,甚至出现抄袭的现象。
  三、融合CDIO理念的综合性实验项目教学探索
  针对传统数字逻辑电路实验教学中存在的问题,以“简易数字跑表”实验项目为例,探索融合CDIO理念的数字逻辑电路实验教学方法。“简易数字跑表”就是一个计时工具,下面从实验内容、实验要求和实验考核三个角度对该综合性实验项目的教学新方法进行说明。
  1.贯穿式的实验内容设计。所谓贯穿式的实验内容,是指教师在理论课程授课开始前布置实验任务,将实验内容中所涉及的知识点和理论教学建立起对应关系,明确各章节知识点在本实验项目中的作用,将课程全部知识点进行融会贯通。从而可以使学生的学习目的更加明确,提高了教学效果。
  简易数字跑表的设计指标主要包括:①计数包括百分秒、秒、分钟,各两位;②开始/停止按键,低电平为计时,高电平为暂停;③复位按键,低电平时为计时,高电平为清零;④用BCD码计数方式,直接输出到6个数码管显示读数。因此需要用到的电路单元主要有:控制电路、分频器、显示译码器。
  从实验项目的建模到最后实现,其各环节与课程内容的对应关系为:功能分析环节,用到课程的数字逻辑基础知识部分,包括逻辑变量定义、逻辑函数表述、真值表;计时部分主要用到时序逻辑电路的计数器和分频器电路;时钟电路对应于课程的脉冲波形的产生与整形电路章节;数码显示环节,主要用到基本逻辑门电路和组合逻辑电路的译码器芯片。此外的一些细节和辅助芯片,在布置实验任务时进行说明,引导学生查阅资料,补充完善。
  2.工程化的实验任务要求。根据实验项目内容,要求学生自由组队,并进行任务分工。在构思阶段(C阶段),在教师引导下,团队成员集体讨论,通过深入理解任务内容,确定所需输入/输出逻辑变量、系统状态、状态转换关系等,建立数学模型。可以锻炼学生的独立思考能力,查阅资料能力。设计阶段(D阶段),团队各成员结合理论教学中的简單实例,对应进行子任务的设计。先采用软件工具进行仿真模拟,从而进一步理解实验项目中各电路芯片的工作原理。随着理论学习的不断深入,教师引导学生查阅资料,鼓励学生在原有任务内容基础上进行自由发挥和合理创新,使实验项目功能更加丰富,并能综合利用更多的理论知识。从而激发学生的学习兴趣,提高学生的参与热情,培养学生的创新能力。实现阶段(I阶段),将各子任务合并,并进一步进行仿真调试,直到得出正确实验结果,然后用实际硬件芯片来实现,并用示波器、万用表等相应工具进行测试,排查故障,完成实验项目。在这个过程中,学生可以充分理解各芯片在实际应用中的注意事项等,锻炼学生工程实践能力。运作阶段(O阶段),团队成员进行项目展示,从设计思路、设计原理、关键技术、到调试过程遇到的问题及解决方法,进行全面的说明。对一个问题从理解到应用,再到讲解,进一步巩固所学知识。这不仅能扩大学生的视野,而且能培养团队的协作意识。   3.过程化和多元化的实验评价机制。融合CDIO工程教育模式的实验项目在考核阶段,除了传统的实验报告外,更多的比例为采取过程化和多元化的评价机制。过程化主要体现在对电路设计各个环节均进行评价,改变以往仅仅关注任务完成的结果,而忽视设计过程的评价模式。从电路设计的基本过程上看,其中的各个环节是一个递进的过程,包括“数学建模→电路设计→电路仿真→电路连接→电路测试→电路完善”。每个环节不仅对于最后成果的呈现非常重要,而且对下一个环节如何进行和进行得好坏起到至关重要的作用。因此,根据各个阶段性任务是否符合要求,或者在符合要求的前提下完成的质量情况,给予一定比例的分数。
  多元化包括评价主体的多元化和评价对象的多元化,打破传统单一的由老师评价学生完成的状况和只评价个人任务完成的状况,加入组内评价和不同组之间的评价。课程评价标准将教学标准和行业标准统一起来,将任务完成情况和团队合作及个人在团队中贡献度结合起来,从而避免了仅评价实验报告的片面性,使最终评价更加合理、完善,极大地提高了学生在学习和实验过程中的主观能动性。
  四、结语
  在《数字逻辑电路》实验教学中融入CDIO工程教育理念,从实验内容、实验要求和实验评价三个方面改革传统实验教学模式的不足。使学生对基本理论知识有更完整和更深层次的理解,并在此基础上培养学生的创新精神、系统性思维能力、工程实践能力和团队协作意识,很好地保证了教学质量和教学效果。
  参考文献:
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