淺談項目驅動法在數字電路課程中的應用

作為一所本科獨立院校，一直以培養高素質本科應用型人才為辦學宗旨，在制定人才培養方案、教學大綱及教學計劃時，均要求教師的日常教學要注重理論與實踐相結合，某些課程甚至要求以實踐為主，或者全實踐授課，其目的是為了充分培養學生的實踐能力和創新能力。
在這樣的要求和背景下，筆者所在的電子信息工程教研室經過多次討論，決定在數字電路課程率先采取行之有效的改革措施。改革目標是對傳統的教學方法進行大力革新，強調應用，側重實踐，著重培養學生的綜合素質能力。為此，筆者及教研室請教了許多專家、教授和同行，認真聽取他們的意見和建議，并參考學習其他學校的做法，最后決定在數字電路這門課程中，采用偏重于實踐的項目驅動式教學法，代替傳統的教學方法，以提高學生的實踐應用能力。
從目前的實施情況來看，該教學方法在一定程度上激發了學生對本門課程的學習興趣及熱情，提高了學生的實踐與應用能力，提升了教學效果，在學生中取得了良好的反響。
1 數字電路教學現狀
在本校電子信息工程專業的課程體系中，數字電路的先修課程是電路分析基礎和模擬電路，后續課程涉及單片機與接口技術等課程，數字電路課程具有承上啟下的地位和作用，十分重要。但該課程的教學普遍存在以下兩個問題：①在課程內容的設置上，該課程主要講授的是三部分，一是邏輯代數基礎知識，二是組合邏輯電路，三是時序邏輯電路，大多數課時作為理論課，主要用于講授枯燥的邏輯代數知識，或者介紹常用的中小規模集成電路，卻很少教授這些集成電路在各類數字系統中的實際應用，導致學生并不清楚這些集成電路到底有何用途。即使是實驗部分，與該課程配套的大部分實驗課，按傳統的課程安排，都是驗證中小規模集成電路的邏輯功能，設計性和綜合性實驗較少，甚至沒有，學生在做完驗證性的實驗之后，對集成電路的原理一知半解，很難加以綜合運用。②傳統的教學方法是填鴨式的，教師站在講臺上講得口干舌燥，苦口婆心但對學生來說卻如同催眠，學生坐在下面哈欠連天，昏昏欲睡，造成這種現象普遍存在的原因，是因為教師在課堂上講授的內容，大部分都是枯燥乏味的，而學生又是被動聽講，因此學生在大多數時候都很難對課程產生興趣。
總之，該課程在內容設置上及教學方法上，都很難達到側重實踐與應用的教學要求，難以培養出高素質本科應用型人才，迫切需要進行改革。
2 項目驅動式教學
為了培養應用型人才，數字電路課程對傳統的教學理論體系及教學方法進行了較大幅度的改革，主要是以項目驅動教學方法代替傳統的填鴨式教學方法，同時刪減理論教學內容與學時，提高實踐學分和學時在該課程中所占的比例，最后使得理論課與實踐課各占50%，即理論部分與實踐部分均使用36 學時進行教學。具體改革措施如下：
①刪減理論教學內容。數字電路課程所使用的教材是清華大學出版社閻石教授主編的《數字電子技術基本教程》，該教材在內容編排上共分為九個章節。由于理論課時僅安排36 個學時，因此必須對這九個章節進行合理的刪減。具體的刪減原則，是牢牢把握以實踐為主的改革思路，將該課程的教學重點放在集成電路的邏輯功能、測試方法、實際用途及擴展應用等內容的講授上，少講甚至完全拋棄不講集成邏輯門、觸發器、存儲器和可編程邏輯器件的內部結構和原理。按照上述原則對該課程理論部分的教學安排如表1 所示。

表1 數字電路課程學時安排
②增加實踐學分和學時，以項目驅動式教學方法促進理論教學的效果。具體是以三人表決器、八路搶答器、數字時鐘和延時燈等四個項目貫穿整個教學過程，將實踐與理論緊密結合。在實踐這些項目時，首先向學生提出具體的功能和要求，啟發學生思考該如何完成這些項目，接著引入相關的理論知識，讓學生在學習理論時，同步使用相應的器件進行實踐練習。最后要求學生寫出項目實踐報告，展示實踐成果，走上講臺陳述實踐心得與體會，回答老師和同學的提問，鍛煉學生各方面的能力。上述四個項目的學時安排如表2 所示。

表2 實踐項目學時安排
3 四個實踐項目
項目驅動式教學法的核心是項目。選取三人表決器、八路搶答器、數字時鐘和延時燈等四個項目作為核心實踐項目，是因為在這四個項目的實踐過程中，恰好能夠將數字電路課程的理論基礎知識，巧妙地穿插于這四個實踐項目中，達到以實踐教學促進理論教學的目的。另外，僅選取四個項目，而不是更多的項目，一是出于對課時的考慮，二是出于對學生負擔的考慮。若選取的項目太多，在有限的課時內，學生將難以完成所有項目的實踐，勢必會增加學生在課外的學習負擔。再考慮到實踐項目時要消耗大量的電子元器件等耗材，因此僅選取四個項目作為學生的核心實踐項目，是比較適宜的。四個項目的具體選取原則及說明如下：
①三人表決器。三人表決器的電路結構很簡單，主要采用小規模集成的門電路進行設計，僅用三個二輸入與門和一個三輸入或門，或者三個二輸入與非門和一個三輸入與非門，再加少量的電阻、按鍵等元件即可實現。實踐該項目的目標是讓學生充分理解數字電路基本單元邏輯門，如與門、或門、非門、與非門等邏輯門的原理和用途。除此之外，在項目開展過程中，還會涉及到電子電路的基礎知識、邏輯代數基礎知識、邏輯函數的表示及化簡方法、邏輯門的驗證方法等知識點，通過該項目的實踐，學生將更好地理解上述理論內容。
②八路搶答器。八路搶答器主要涉及到編碼器、譯碼器等中規模組合邏輯集成電路的運用。該項目緊密聯系了數字電路課程前半部分的理論知識，包括邏輯代數基礎與組合邏輯電路的特點、分析方法與設計方法。通過該項目的實踐，學生將強化理解上述知識點，熟練掌握優先編碼器、譯碼器等組合邏輯電路的功能及用途，還可以直觀感受到競爭與冒險現象所帶來的影響。相較于傳統的教學方法，在設計制作八路搶答器的過程中，穿插引入與組合邏輯電路相關的知識點，學生的接受能力較好，學習興趣和熱情也較高。
③數字時鐘。本項目要求學生設計制作一個簡易的數字時鐘，分別用兩位數碼管顯示分和秒。由于電路中既包含了時序邏輯電路，也包含了時序邏輯電路，因此通過該項目的實踐，學生可進一步地學習與掌握各種中小規模的組合邏輯集成電路或時序邏輯集成電路的結構原理與使用方法。另外，由于該項目的綜合性較高，學生從計算機仿真開始，到實驗室用實驗箱驗證，再到最后的焊接電路與調試，這一系列步驟，都將有助于學生熟悉數字電路的一般設計方法與步驟，有助于學生了解計數器、鎖存器等中小規模集成電路的使用注意事項，加深相關理論知識的理解，提高學生綜合應用的能力。
④延時燈。555 定時器是一種工作可靠、使用方便、價格低廉的集成電路，被廣泛運用于各類電子產品中，因而本課程要求學生熟知555 定時器的功能及原理，熟練掌握555 定時器的使用方法。本項目正是要求學生利用555 定時器組成單穩態觸發器，在此基礎上設計出一個簡易延時燈，當按下開關后，LED 燈點亮，經過一段時間后，LED 燈自動熄滅。通過該項目的實踐，學生將更加深入地理解555 定時器的內部結構和工作原理，并能做到舉一反三的應用。實踐證明，由于該項目十分貼近日常生活，因而學生的學習興趣非常之高，教學效果較佳。
4 考核辦法
數字電路課程將理論部分與項目實踐部分分開進行考核。其中，理論部分仍然采用與校內其他課程一致的考核方式，即“2+2+6”，平時成績占總成績的20%，期中成績占總成績的20%，期末成績占總成績的60%。項目實踐部分則按照四個項目階段分別進行評分，每個項目階段的評分占總成績的25%。而每個項目階段的評分，又分為項目是否按時完成、是否實現預期效果、焊接工藝是否規范、項目報告書是否完備、答辯是否通過等多個方面，分別進行評分。
5 教學效果
項目驅動法在數字電路課程中的應用目前已在電子信息工程專業2014 級和2015 級學生進行了改革嘗試。與該課程在2013 級學生以前的教學相比，在2014 級和2015 級的教學過程中，筆者作為任課教師的直觀感受是，學生的學習興趣和熱情均有顯著的提高，課堂氣氛也較為活躍，學生對數字集成電路的綜合應用能力得到顯著的提高。
從學生的角度而言，筆者在改革之前和改革之后，均在學期末對2013 級、2014 級、2015 級學生展開了問卷調查，設計了一些簡單的問題，了解學生對該課程的學習情況，借此評估該課程在改革前后所取得的教學效果有什么不同。問卷調查統計結果如表3 所示。
上述問卷調查結果表明，與2013 級的學生相比，2014級和2015 級的學生，在教學周期內，對數字電路課程始終保持著學習興趣和熱情的人數比例有較大的提升。與此同時，自認為較好地掌握了該課程內容、基本掌握常用MSI的使用方法、基本具備設計簡單數字系統的能力的學生比例，也有明顯上升。
雖然該統計結果由于統計的學生人數較少，設置的問題數量較少，問題本身也比較簡單，因而從統計學的角度嚴格來講，該結果并不具備統計意義，但該結果還是可以從一定程度上說明，由于數字電路課程引入了項目驅動式教學方法，教學效果顯然要比傳統的教學方法更好。

表3 數字電路期末問卷調查
6 結語
數字電路課程若采用傳統的教學方法，難以培養出應用型人才，必須進行教學改革，將理論與實踐進行緊密結合，力圖貼近實際應用與日常生活，如此才能有效提高學生的學習興趣和熱情，為學生后續的專業發展奠定堅實的基礎。經過筆者及所在教研室的摸索與嘗試，目前的教學結果表明，以項目驅動課程，或是以項目主導課程的教學方法，使得學生的學習興趣較為濃厚，課堂氣氛較為活躍，學生的主觀能動性得到充分的發揮，學生更容易理解相關理論知識，后續的應用能力也更強。項目驅動式教學法，是值得在其他課程中推廣和應用的教學方法。