數電“理實一體化”課堂教學模式改革

培養應用型本科人才在我國是一個相對新的概念，如何在人才培養方案、課程設置、教學內容、教學方法、教學模式及教學評價等環節實現真正的“應用型”特色，是一個需要進行長期研究，不斷改進的過程。特別是對于工程類本科專業，如何實現以“能力”培養為核心，達到“華盛頓協議”工程教育認證要求，培養高質量的工程技術人才，更是地方性本科院校培養應用型人才所面臨的一項重要和迫切的任務。
近年來，在應用型本科院校課堂教學中，采用“理實一體化”教學模式成為大家公認的一種好的教學模式，關于“理實一體化”課堂教學改革與研究，已成為教學改革研究的熱點問題。
“理實一體化”課堂教學模式，即將理論教學課堂與實驗教學課堂相融合，實現理論教學與實踐教學在知識內容、實施時間和空間上緊密結合，使教、學、做相互滲透，相互促進，達到理論知識掌握與實踐動手能力同步提高。
我們從2013年開始，在電子信息工程專業數字電子技術課程課堂教學中采用“理實一體化”教學模式，達到了課堂講授理實一體化，課堂討論理實一體化，課后作業理實一體化和課程考核理實一體化。經過幾年的不斷改進與完善，教學方案設計基本成熟，達到了滿意的教學效果，受到了學生的普遍歡迎。
1 理實一體化”教學條件建設
實現“理實一體化”教學首先對教學場地提出了更高的要求，即教學環境既要滿足理論課講授需求，又要滿足實驗課操作需求。對于以編程、仿真為主的課程，在學生人手擁有筆記本電腦的情況下，只要場地能夠提供電源，就能滿足要求。同樣，對于單片機課程，在學生人手擁有筆記本電腦和單片機開發板情況下，能夠提供電源的普通教室也能滿足要求。但對于需要其他實驗設備的課程，目前理實一體化教學還只能在實驗室授課。
在實驗室授課存在以下問題：(1)相同或相近課程在同一學期開課班級較多時，易出現場地沖突難以安排；(2)學生只在上課時間內有機會進行動手操作訓練。因此，目前大多采取的是項目驅動式的部分學時的理實一體化教學模式。
數字電子技術課程實驗具有兩個顯著特點：其一是信號結構形式比較簡單，只有高和低兩個電平，在頻率不太高的情況下，可以用LED替代示波器或其它測量設備對信號進行邏輯測量；其二是電路工作電壓低(5V)、功耗小，在電路規模不太大情況下，可以使用干電池供電。基于上述兩個特點，完成數字電子技術課程大部分實驗可以不需要示波器、直流穩壓電源等較大型儀器設備。
為了能夠在普通教室實施“理實一體化”課堂教學模式，使理論教學課堂具備實踐操作條件，針對數字電子技術課程實驗的特點，我們專門設計制作了一款“便攜式數電實驗箱”，實驗箱內部實驗區如圖1所示。該實驗箱主要由兩塊面包板、一組共陽指示二極管、一組共陰指示二極管、一組置數開關以及時鐘產生電路和單脈沖產生電路等組成。內部裝有干電池，外形尺寸只有255mm×210mm×85mm，比普通教科書略大一點，質量1.6kg。
便攜式數電實驗箱體積小，重量輕，無需外接電源，攜帶方便，并配備了實驗教學所需的全部電路元件、導線和基本操作工具，可為學生人手配備一臺。在整個課程學習過程中，實驗箱交由學生自行保管，滿足學生隨時隨地完成實驗操作。圖2為利用便攜式數電實驗箱課堂教學的現場照片。
2 理實一體化”教學過程實施
2.1理實一體化”課堂教學
在學生擁有便攜式實驗箱的條件下，我們已將數字電子技術課程課內學時的85%采用“理實一體化”授課模式。具體做法有：
(1)先講后做，用實驗驗證理論。對于相對容易講述的基礎理論知識或綜合性較強的應用設計內容，一般采用先講理論，后實驗驗證。比如：基本門電路邏輯功能、邏輯函數化簡、組合邏輯電路設計、時序邏輯電路設計和中規模集成器件應用設計等。通過實驗使理論知識變得具體化、直觀化和有趣味，使學生對理論知識信任度提高，理解和記憶加深，學習理論知識的興趣和信心增強。
(2)先做后講，通過實驗歸納理論。對于內部結構較復雜的中規模組合邏輯器件，一開始就直接去分析它的邏輯功能，會使學生聽起來枯燥、乏味、不知所云。可采用先做功能測試性實驗，記錄實驗結果，然后歸納總結芯片邏輯功能與應用設計方法。即先告訴學生芯片的電源引腳、數據輸入引腳、數據輸出引腳和邏輯控制引腳等，然后組織學生搭接功能測試實驗電路。教師和學生一起，邊實驗、邊觀察、邊記錄，通過啟發、討論和歸納總結得到器件的邏輯功能。最后再通過理論分析，完成物理解釋。
(3)邊講邊做，用實驗幫助理論表述。對于那些邏輯狀態較多的、工作方式相對抽象的用文字表述學生一下子理解有困難的中規模邏輯器件，如大多數時序器件、七段顯示譯碼器等，采用邊講邊做的教學方法，教學效果尤其明顯。如同步觸發器與異步觸發器的區別、觸發器的電平觸發與邊沿觸發的區別、主從觸發器的多次翻轉現象、異步和同步清零或置數的差別；編碼器輸入的優先級；七段顯示譯碼器的滅零控制端功能等。通過現場實驗配合，在不同的輸入控制狀態下，講解器件的工作方式，讓學生通過實際觀察到的現象，理解器件的功能，使抽象變具體。這樣學生不但容易理解，而且容易記牢，容易掌握。
如講授8線/3線優先編碼器74HC148時，結合實驗邊講邊做，學生通過實驗觀察比較，特別容易理解“優先”的含義；再比如講授移位寄存器74HC194時，結合實驗邊講邊做，分步講解并行輸入、右移串行輸入、左移串行輸入、循環右移、循環左移等工作方式，學生通過實驗觀察比較，更容易直觀理解其各種邏輯功能。
課堂實驗前，教師將實驗電路連接圖投影在屏幕上，供學生搭接電路使用。實驗過程中，學生根據教師指令改變電路輸入信號或控制信號，并觀察記錄電路的輸出信號。最后在教師引導與啟發下，對電路的功能進行歸納總結。必要時，還可對所得結果做進一步實驗驗證。
2.2理實一體化”課后作業
課后作業形式實現了多樣化。既有傳統的書面作業，又有驗證性、設計性、綜合性和研究性實驗作業。同時還可以為下次課堂操作實驗提前做準備，并可以通過QQ或微信等社交平臺上傳圖片、視頻等形式進行實驗作業檢查和驗收。
2.3理實一體化”小組協作學習
將學生分成若干協作學習小組，他們可以在課堂上相互幫助，能力強的同學發揮“小老師”作用，幫助小組內同學完成操作實驗檢查排故，也可以在課外討論學習。我們按照邏輯代數、組合邏輯電路、時序邏輯電路等分單元適當安排討論課，預先提出綜合性、探究性討論題，由小組集體在課外完成解決方案、搭接電路和PPT制作，在課內協同完成演講、演示與課堂交流。
2.4理實一體化”課程考核
減少期末終極性考核成績比例，擴大過程性考核和能力考核成績比例。將學生每次課堂操作性實驗完成情況、課外各類作業完成情況及討論課任務完成與表現進行逐次登記，納入課程學習成績考核。為了減少課堂登記占用時間，我們采取登記課堂操作實驗失敗者的方法，鼓勵其在課間或課后重新檢查排故，實驗成功后再次提交修改登記。
2.5不斷改進教學設計
每輪課程教學結束前，以作業形式讓每位同學寫一篇對課程學習的心得體會，并提出對課程教學過程的改進建議。教師根據自身的授課體會并結合學生的建議，不斷改進課程教學的總體設計，以及每次課的教學內容、實驗內容、教學過程和教學組織形式。
3 理實一體化”教學效果評價
經過幾輪教學實踐，結果表明，“理實一體化”課堂教學模式具有以下優點：
(1)理論講授與實踐操作緊密結合，課堂教學形式多樣，可以先講后做、先做后講或邊做邊講，學中做，做中學。該模式提高了課堂教學活動的趣味性，增強了課堂教學對學生的吸引力，強化了理論對實踐的指導作用，同時提高了學生對理論的理解和應用理論知識解決實際問題的能力。
(2)充分運用實踐教學手段，使抽象理論表述變得具體、直觀、易理解，真實可信，拉近了理論與應用的距離。原來學生學完課程都不知道學了有什么用，現在學生在學習的當時就知道所學知識能干什么，大大激發了學生學習興趣。
(3)減少了集中性實驗課，將實踐教學碎片化，理論講授與實驗操作相互穿插，實踐操作常態化。逐漸改變學生重理論輕實踐的學習思維與習慣，培養良好的學習工程專業的方法。
(4)從簡到煩，從易到難，循序漸進，逐步提高學生的實踐動手能力。從現場完成一個門電路幾條連接線，到應用中規模集成器件或多個集成芯片完成電路的幾十條，甚至上百條連接線，實驗內容從簡到難，實驗規模從小到大。學生在不知不覺中逐步提高實踐動手能力，特別有利于激發動手能力差的同學的學習信心。
(5)加大了學生在課堂教學過程中的參與度，加大了課堂教學過程中師生的互動與交流，學生在課堂上忙起來了，充分體現了課堂教學過程中學生的中心地位。完全沒有了玩手機、睡覺或其它分神情況，課堂教學氛圍明顯改善。
(6)能夠對課堂教學效果即時檢查。學生動手實驗實際上起到了對學生學習效果的現場測驗的作用，既是對學生掌握理論知識的測驗，也是對應用理論解決實際問題能力的測驗，同時也是對教師教學方法的測驗。其有利于及時發現教學問題，不斷改進教學方法。
該教學改革課題為2013年浙江省課堂教學模式改革項目，連續兩年由本校組織中期檢查和結題驗收，均被評為優秀。
4 結語
基于便攜式實驗箱對數字電子技術課程實施“理實一體化”課堂教學模式改革，實現了課堂講授、課堂討論、課后作業和課程考核全方位“理實一體化”。達到了“以學生為主體，教師為主導”的課堂組織要求。課堂教學氣氛活躍，學生參與度高，學習興趣和積極性濃厚。經過5輪教學實踐表明，學生不但對理論知識學習效果明顯改善，而且實踐動手能力明顯增強。