數字電路教學中的實踐創新能力培養

數字電路課程是電類專業的一門重要的專業基礎課程，其教學目標在于使學生掌握數字集成電路的應用，具有分析、設計電路并利用其解決實際問題的能力。
數字電路課程理論性較強的特點導致學生在學習過程中困惑于這門技術是如何應用于實際生活的；同時由于其技術更新較快，就適合用于培養學生實踐創新能力，提高學生綜合素質。在傳統教學中，培養學生的實踐能力主要依靠數字電路實驗教學環節，但是效果往往不夠理想。培養學生的實踐創新能力必須從課程的理論教學部分抓起，才會起到事半功倍的效果。如今，數字電路理論教學大都存在著如下的問題。首先，教學內容缺乏實踐性。數字電路相關教材仍然以基礎知識為主，這就使理論教學的重心在于基本邏輯關系、基本器件工作原理的講解，而與實際相關的內容主要依靠教師的擴展補充，這對教師的實踐能力要求較高。數字電路作為專業基礎課，其任課教師大都為基礎教研室教師，這類教師為教學型教師，實踐的更新換代能力是其短板，技術更新慢難免導致擴展面不足。其次，傳統授課方式課堂效果差。數字電路課以板書附加多媒體的教學形式為主，且一般授課班型較大，課堂的教學過程以教師講授為主，師生間互動形式及互動范圍有限，因而課堂單調乏味，教學效果不佳。再次，傳統的考核方式是平時考核加期末閉卷考試，其中以閉卷考試為主。教學工作者雖然已經從多方面進行教學改革，并取得了一些成果，但在調動學生學習積極性、提高學生實踐能力等方面還有很多改進的地方，結合自己多年的教學實踐筆者對此做了如下探討。
一、加強教師隊伍建設
俗話說，“打鐵先要自身硬”，若要提高學生的實踐創新能力，首要任務是提高任課教師的專業素質及綜合能力。
（一）更新思想觀念，實現角色轉變
改變傳統的教師“教”與學生“學”的固有角色定位，淡化教師的“教”，強化學生的“學”，讓學生在課堂中發揮主體地位。教師進行方向性指導，同時尊重學生與眾不同的想法，對其創新之處給予積極的回應。教師要明白自己不是學生唯一的知識來源，只是學習過程的組織者和引導者。教育的過程，也是教師反思學習的過程，因此教育的過程力爭在師生之間建立一種平等、和諧、民主的相互學習氛圍。這種轉變對教師的業務能力和敬業精神提出了更高的要求，教師必須在知識面、理論水平、認識水平、洞察問題的能力等方面具備較高的修養。因此教師需要定期對課堂內容進行梳理，將教學內容去理論化、具體化、實踐化；同時充分利用資源共享這一有利條件，與業內技術前沿接軌，建立本領域的知識庫平臺。
（二）提高業務能力，打造教學團隊
高水平的教師隊伍是良好教學效果的有力保障，必須重視教師隊伍的培養與交流。首先，加強教師的進修學習和院校間的合作交流，讓教師開闊視野，吸取有益的教學經驗，不斷改進教學。其次，加強校內各部門、院系間的溝通與交流，定期組織教學研討，分享教學心得，定期組織教學大練兵，發揮業務骨干的示范帶頭作用。
再次，加大對基礎教學團隊的政策扶持力度，減輕教學負擔，鼓勵提升學歷，支持基礎課教師參加各類比賽、競賽，通過指導各類實踐活動，提高教師的實踐能力，加快技術更新速度。最后，注意強化基礎課教師的科研意識，提高科研能力。把握學科前沿動態，參加國內外學術會議，關注相關領域最新發表的期刊論文，瀏覽學科前沿動態網站等，積極參與團隊合作、交流，營造良好的學術氛圍，最終建設一支業務素質過硬、教學熱情高漲的教學團隊。
二、更新教學內容
在教學過程中，改變重理論、輕實踐的理論課堂教學思路。首先，為了解決學時少、教學內容多的矛盾，需要精簡教學內容。在注意知識點連續性的前提下，可適當減少課程基本定理、定律及公式的理論推導、計算等內容的講解，讓學生知道有這些定理、定律存在并理解它們的應用即可。其次，為解決教學過程的形式化與教學效果不盡如人意的矛盾，給予教師較大的發揮空間，從教材、教學大綱等固有的學時分配等框架中脫離出來，在保證教學知識點的前提下，允許教師靈活地安排教學內容及教學過程。再次，為了解決教材更新慢與技術更新快之間的矛盾，教師應將基本理論部分節省出來的時間用于進行相關知識點的實踐拓展、實例展示及講解。例如在講授邏輯關系內容時，可以演示密碼鎖的工作原理；單穩態電路部分，可以演示樓道聲控燈的結構、原理；多諧振蕩電路部分，可以演示救護車高低音警報電路和防盜報警電路的結構、原理，等等。這樣的理論教學內容，必然能更好地吸引學生的學習興趣，在課堂上實現理論向實際的過渡，而不是將這個任務全部交給實驗環節去完成。
三、改進教學方式
EDA技術是指設計者利用計算機及相關軟件完成電子系統的設計任務，是現代電子系統設計、制造不可缺少的技術。EDA技術的出現是電子設計領域的一場革命，是現代電子系統設計的發展趨勢。借助于EDA技術，可以使數字電路的課程教學更豐富多彩，同時有利于將項目教學法引入課堂教學，可以較大幅度地改變固有的教學模式。
（一）轉變教學角色
利用EDA軟件可以生動地演示實際電路的功能及效果，進而提高學生的學習興趣。更為重要的是，課堂上EDA軟件的應用，可以豐富師生間的互動方式，提高教學角色轉變的效率。例如，對于翻轉課堂這一角色互換環節，傳統的互動內容，學生主要是對基本的理論進行講解，最多是通過查閱資料來豐富講解的內容，基本的板書及多媒體的講解方法，可以在一定程度上鍛煉學生的自學能力，但這種互動方法占用課堂時間較多，學生參與度較低。引入EDA技術后，可以將互動的內容進行提升，將相對乏味的基本理論全部留給教師來講解，要求學生根據知識點查找資料，確定與此知識點相關的實際應用電路，設計電路結構，搭建仿真電路，在課堂上進行演示并講解。這個過程提高了學生理論聯系實踐的能力，每名學生實際占用的課堂時間明顯縮短，從而有利于提高學生的參與程度，發揮學生的主觀能動性，提高課堂效果。
（二）實施項目教學法
借助于EDA技術，可以使數字電路課程的“功能擴展性項目教學”得以有效開展。在課程初期，教師就可以布置與實際生活相關的電路設計任務，規定基本的電路功能，由學生自主查閱資料，教師輔助確定最終實施方案。隨著課程實施方案逐步推行，教師對學生的設計內容進行指導，擴展所設計任務的功能，并引導學生創新電路的功能。當本門課程結課時，學生的設計任務也基本完成。這樣帶著目的去聽課，學生面對的不再是單調的芯片功能和結構的介紹，而是一個可以解決他所面對的實際問題的器件。同時，完成一個具體的實際電路的設計過程，學生的實踐能力也必然提高。以“四路競賽搶答器”為例，當講授完組合電路的設計內容后，教師要求學生設計一個基本的搶答裝置，學生會發現此時的電路可以實現搶答的功能，但是無法實現信號保持的能力；當講授完觸發器的內容后，學生會發現擴展設計的搶答裝置具有信號保持的能力，復位等功能的實現也更加簡便；當講授完計數器的內容后，學生會發現在原有電路的基礎上，搶答器可以具有計時搶答的功能，配合數碼顯示器件，就可以實現倒計時顯示的效果；當講授完振蕩電路內容后，學生發現此時電路工作的時鐘信號也是由自己設計的電路來實現，不必使用信號發生器這樣的器件。至此，一個基本完整的搶答器設計已經完成，這樣通過逐步擴展搶答器的功能，不僅會加深學生對各個單元器件的理解，同時使學生了解并掌握了設計的過程，提高了學生的實踐創新能力。
（三）靈活應用教學方法
在教學過程中，為達到最理想的講授效果，需要根據教學內容的特點，從傳統的教學方法如提問式教學、啟發式教學、研討式教學、對比式教學等中，選擇能發揮學生主觀能動性及創造性的教學方法，引導其將理論知識與實踐結合起來。例如講解二值邏輯的概念問題時，可以采取提問式教學，讓學生舉出生活當中的二值實例；在區分組合電路與時序電路的特點時，對比式教學更能對二者進行區分，找出它們的共性與個性，有利于區分不同的知識點；在介紹電路的設計方法時，研討式教學能調動學生的熱情，讓學生討論各自方案的特點，最后再由教師進行總結，這樣的過程，學生必然理解得更深刻。總之，必須對教學過程進行科學的設計，將各種方法靈活應用于課堂，才會取得良好的教學效果。
四、拓展課外教學活動
由于課堂上的教學時間十分有限，遠遠無法滿足對學生實踐能力的培養需求，為了進一步提升學生的實踐能力，必須加強實際演練，因此課外教學活動必不可少。
（一）指導學生自制實驗平臺
由于數字電路的特點，其實踐環節并不完全依賴于大型的測試、測量儀器，只需要購置一些電子器件、導線、電源、指示燈及常用阻值的電阻等即可，所以教師應鼓勵學生自己動手制作實驗設備，自己完成數字電路邏輯平臺制作。這個實驗平臺的制作不僅可以鍛煉學生動手解決問題的能力，培養學生的實踐創新能力，而且可以為學生提供便捷的電路設計及功能驗證的調試，必然會提高學生的學習興趣。
（二）組織電子設計競賽
在整個數字電路的教學過程中，教師可以組織兩次小規模的電子設計比賽。學生可以分組進行，相互之間進行研究、討論，自由發揮與創造。教師負責進行理論內容的指導，學生可以借助于自己制作的實驗平臺進行邏輯功能驗證，或者借助于EDA技術進行功能驗證。在規定的時間內，完成設計任務的學生，教師根據設計方案、總結報告、實物演示等進行成績的評定，優秀的給予一定的獎勵。這樣的過程具有一定的挑戰性且非常有趣，學生的學習熱情高，其實踐動手能力也會明顯提高。
（三）打造全天候課堂
每周一至兩次的課堂教學，無法滿足師生之間的溝通需求。缺少了教師的監管，學生難免會產生惰性，如果不能及時對學過的知識點進行鞏固復習，不能對新知識點進行提前預習，就會導致問題越堆積越多，久而久之學生對課程就會出現反感的情緒。在這個現代移動互聯的時代，利于多種渠道建立師生間的雙向溝通交流平臺，比如QQ群、微信群、Email、論壇、專業博客、微課、視頻、共享資料等。對于性格外向的學生，適合采用群聊的方式進行溝通，而對于性格內向的學生，則更適合采用私信等方式進行交流。總之，采用學生更愿意接受的方式，加強師生之間、學生之間的課下互動，便于學生間、師生間開展有效的研討，也便于教師進行指導、答疑、督促。這種全天候課堂的打造，必將使課程的教學效果更上一層樓。
五、改進考核方式
傳統的考核方式是平時成績加期末閉卷考試，而平時成績由出勤、作業、測試等內容構成，學生之間的區分度不大，最終區分學生成績的是期末考試的分數。為了合理地考核學生的實踐能力，必須改變“一張卷子定生死”的考核模式。一方面，減小閉卷考試的比重并調整試題類型，試題類型應為常規的填空、選擇、判斷及計算等，這類題型可以對學生的基礎知識掌握程度進行相對比較準確的衡量。另一方面，對學生實踐能力的考核重點在于平時的教學過程及實驗環節。為了刺激、鼓勵學生參與師生互動及項目作業的參與度，需要加大平時考核的比重，平時考核的內容也應添加上實例講解、項目作業、電子競賽等項目，并采取答辯的形式進行成績的評定。實驗環節主要考查學生的動手能力，根據學生的電路設計能力以及電路故障處理、調試能力等多方面進行綜合的評定。
實踐能力的培養不是一朝一夕就能完成，也不是單純一門課程就能達到令人滿意的效果，這需要各門課程的有效配合。對于教學過程中出現的各類問題、現象，必須進行深入的思考，靈活應對，并整理出行之有效的教學經驗，以實現師生共同成長。