楊春玲, 朱　敏

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程系， 黑龍江 哈爾濱 150001)

0　引言

2016年，我國成為《華盛頓協(xié)議》正式成員?！度A盛頓協(xié)議》要求正式成員遵循：①工程教育認(rèn)證體系和程序在成員之間是等效的；②認(rèn)證所采用的畢業(yè)生標(biāo)準(zhǔn)實(shí)質(zhì)等效于協(xié)議中的畢業(yè)生素質(zhì)要求。由于工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)(ABET)將成果導(dǎo)向教育OBE(Outcome based education)的理念全面貫穿于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，因此需要我們開展基于OBE認(rèn)證的研究工作?；贠BE的認(rèn)證要求自頂向下地根據(jù)需求制定培養(yǎng)目標(biāo)、提出相應(yīng)的畢業(yè)要求、構(gòu)建課程體系、課程目標(biāo)，最終達(dá)成學(xué)習(xí)成果[1, 2]。鑒于此，作為OBE底層的課程改革勢(shì)在必行。

目前，電子技術(shù)已經(jīng)滲透到工程領(lǐng)域的各個(gè)學(xué)科，現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展依賴于電子技術(shù)的飛速發(fā)展。對(duì)于電氣工程、自動(dòng)控制、儀器科學(xué)與技術(shù)等電類專業(yè)的畢業(yè)生而言，掌握最新的電子設(shè)計(jì)方法是一項(xiàng)基本要求。

國內(nèi)各個(gè)高校電子技術(shù)教學(xué)通常由兩門課程支撐，即“數(shù)字電子技術(shù)”和“模擬電子技術(shù)”。我校以“數(shù)字電子技術(shù)”課程為試點(diǎn)，開展了基于OBE的課程改革與實(shí)踐，取得一定經(jīng)驗(yàn)，供大家借鑒。

1　課程的具體達(dá)成目標(biāo)

按著OBE設(shè)計(jì)一門課程，首先我們應(yīng)該思考這門課程應(yīng)該使學(xué)生達(dá)成什么樣的成果，即想讓學(xué)生取得的學(xué)習(xí)成果是什么？為什么要讓學(xué)生取得這樣的學(xué)習(xí)成果？如何有效地幫助學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)成果？如何知道學(xué)生已經(jīng)取得了這些學(xué)習(xí)成果？

近幾年數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)時(shí)代，每3年EDA技術(shù)就更新一次。因此，“數(shù)字電子技術(shù)”課程的具體達(dá)成目標(biāo)應(yīng)該包括數(shù)字電子器件及最新數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法。數(shù)字電子器件包括中小規(guī)模數(shù)字器件及大規(guī)模集成數(shù)字器件；設(shè)計(jì)方法包括自底向上的基本設(shè)計(jì)方法和最前沿的EDA設(shè)計(jì)方法。目前工業(yè)應(yīng)用的數(shù)字電子器件幾乎都由大規(guī)模集成電路可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)，其相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法就是采用EDA自頂向下設(shè)計(jì)方法。另外該課程的另一特點(diǎn)是實(shí)踐性強(qiáng)，要求學(xué)生掌握“根據(jù)設(shè)計(jì)要求-開展設(shè)計(jì)-實(shí)際制作-實(shí)驗(yàn)調(diào)試-修改設(shè)計(jì)-最終形成滿足設(shè)計(jì)要求的數(shù)字電路產(chǎn)品”的數(shù)字電路設(shè)計(jì)全過程。針對(duì)如何幫助學(xué)生完成課程的具體達(dá)成目標(biāo)，取得學(xué)習(xí)成果，我們?yōu)榇碎_展了教學(xué)改革與實(shí)踐。

2　教學(xué)手段先進(jìn)性

為了實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)，光依靠課堂教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。需要采用先進(jìn)的教學(xué)手段將問題帶出教室開展數(shù)字電路設(shè)計(jì)工作。因此需為學(xué)生提供相應(yīng)的方便的課外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，我們調(diào)查了美國、加拿大部分大學(xué)的數(shù)字電子技術(shù)課外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括麻省理工大學(xué)(Massachusetts Institute of Technology, MIT)、斯坦福大學(xué)(Stanford University)、伊利諾州立大學(xué)香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)、密西根大學(xué)(University of Michigan-Ann Arbor)、加拿大多倫多大學(xué)(University of Toronto)等。這些大學(xué)的數(shù)字電子技術(shù)課程都使用國際兩大著名半導(dǎo)體公司ALTERA和XILINX的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。因此我們通過大學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目以優(yōu)惠的價(jià)格購買了XILINX的便攜式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)BSYS，用于全校該課程的教學(xué)改革，每年全校大約1000人選修這門課程。該系統(tǒng)小巧輕便，不足一本書大小非常便于學(xué)生攜帶，被形象地稱為口袋實(shí)驗(yàn)箱。主芯片為XILINX的FPGA芯片，外設(shè)包括撥碼開關(guān)、時(shí)鐘輸入、發(fā)光二級(jí)管及數(shù)碼管。可以開展包括EDA設(shè)計(jì)在內(nèi)的數(shù)字電子電路設(shè)計(jì)課外實(shí)踐活動(dòng)。通過此實(shí)驗(yàn)箱學(xué)生可以將課堂延伸，自主便捷地開展數(shù)字電路的實(shí)踐活動(dòng)，進(jìn)而更好地掌握數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法。

3　教學(xué)方法多維化

教學(xué)活動(dòng)包括教與學(xué)兩個(gè)方面，教師既是知識(shí)的傳輸者也是學(xué)生的指導(dǎo)者。引導(dǎo)學(xué)生從知識(shí)的被動(dòng)接受者變?yōu)橹R(shí)的主動(dòng)建構(gòu)者也是課程目標(biāo)達(dá)成的關(guān)鍵。教師努力營造“敢想、敢說、敢問、敢試” 的學(xué)習(xí)氛圍, 為學(xué)生思考、探索、發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新提供最大空間。所以本課程教改的一個(gè)重點(diǎn)是采取混合式教學(xué)模式，其包含的內(nèi)容有：

(1)研究報(bào)告的撰寫。課程安排了一些學(xué)生自學(xué)內(nèi)容，要求學(xué)生學(xué)習(xí)后撰寫研究報(bào)告。例如，在講述EDA的基本概念及內(nèi)涵之后。要求學(xué)生撰寫EDA技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析報(bào)告。學(xué)生通過查閱資料從不同角度全面地了解EDA技術(shù)的發(fā)展。通過比較，學(xué)生了解到我國EDA技術(shù)與國際前沿的差距，高精度大規(guī)模集成電路創(chuàng)新人才缺乏，一些軍事、民用裝備技術(shù)核心處理器受制于人，發(fā)展受限。因此會(huì)激勵(lì)學(xué)生要學(xué)好數(shù)字電子技術(shù)、探索數(shù)字電子技術(shù)前沿科學(xué)領(lǐng)域的意志。由于學(xué)生是通過自己的方式尋找第一手材料完成的報(bào)告，因此掌握的信息量大、記憶深刻。

(2)復(fù)雜趣味實(shí)驗(yàn)演示環(huán)節(jié)。教師通過演示實(shí)驗(yàn)向?qū)W生展示數(shù)字電路的精妙設(shè)計(jì)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。例如：給學(xué)生演示了通過國際化聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的引入的模仿美國工程類頂尖名校伊利諾伊-香檳分校的桌面彈球游戲?qū)嶒?yàn)。另一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)是我校2011年亞洲創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽海峽兩岸總冠軍作品：5階魔方機(jī)器人還原系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)5階魔方的自動(dòng)還原。將這些演示實(shí)驗(yàn)穿插在課堂教學(xué)中，活躍了課堂氣氛，開闊了學(xué)生視野。同時(shí)鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生開拓思路，尋找選題，參加電子設(shè)計(jì)相關(guān)大賽。這些實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)活動(dòng)收到很好效果。在2015年秋選修這門課程的學(xué)生中，多名學(xué)生在課程結(jié)束后報(bào)名參加了全國2016年ALTERA亞洲創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽及全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽。

(3)在線學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計(jì)。為了使學(xué)生快速掌握BSYS實(shí)驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)流程，我們錄制了實(shí)驗(yàn)講解錄像、編寫了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，學(xué)生按著實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)步驟操作就可非常容易地完成實(shí)驗(yàn)。受“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)的啟發(fā)，本課程在互聯(lián)網(wǎng)考試庫平臺(tái)上建立了相應(yīng)的班級(jí)空間，上傳上課的課件PPT、實(shí)驗(yàn)箱講解錄像、自編的實(shí)驗(yàn)操作步驟等資料和幾百道自測(cè)試題。學(xué)生可以隨時(shí)隨地通過手機(jī)或電腦進(jìn)行在線學(xué)習(xí)和測(cè)試，大大方便了學(xué)生的學(xué)習(xí)，受到了學(xué)生的歡迎和好評(píng)?？荚噹炱脚_(tái)還設(shè)有學(xué)生和教師交流區(qū)，學(xué)生可以將遇到的問題通過這個(gè)平臺(tái)與教師交流。

(4)學(xué)生課外實(shí)驗(yàn)及課堂演示。當(dāng)課程開始進(jìn)入邏輯電路學(xué)習(xí)后，對(duì)于典型的邏輯電路要求學(xué)生課外通過BSYS口袋實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。課上布置設(shè)計(jì)題目，對(duì)那些想法奇特或完成情況好的同學(xué)，邀請(qǐng)他們上課時(shí)到講臺(tái)上演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行講解。通過示范作用，激勵(lì)其他同學(xué)。一學(xué)期以來，學(xué)生們以極大的熱情參與到這項(xiàng)活動(dòng)中。不斷有學(xué)生課后聯(lián)系教師，求教課后實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，并積極參與課上演講。

(5)自主設(shè)計(jì)大作業(yè)。課程還安排了一個(gè)自主設(shè)計(jì)大作業(yè)，要求學(xué)生自擬題目完成設(shè)計(jì)并基于便攜式實(shí)驗(yàn)箱完成設(shè)計(jì)，教師一對(duì)一進(jìn)行面試驗(yàn)收，根據(jù)題目的難易程度及完成情況計(jì)分，并計(jì)入期末總成績(jī)。學(xué)生很樂意投入，有些學(xué)生選擇了多位計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路設(shè)計(jì)和運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)；還有一些學(xué)生選擇的題目難度較大：如自動(dòng)售貨機(jī)、交通燈控制、數(shù)字鐘電路等。

4　課外支持系統(tǒng)構(gòu)建

民主、平等、融洽的師生關(guān)系是實(shí)現(xiàn)混合式教學(xué)的基本保證。要求教師注重滿足不同學(xué)生的需求。從授課技巧, 到教學(xué)手段運(yùn)用，都要以飽滿的情感投入創(chuàng)造優(yōu)良的學(xué)習(xí)氛圍。教師和學(xué)生一道在課內(nèi)課外、書內(nèi)書外相互交流、相互啟發(fā)、相互補(bǔ)充、互教互學(xué)，成為一個(gè)“學(xué)習(xí)共同體”，從而使學(xué)生帶著創(chuàng)新的心愿去吸取知識(shí)。

具體做法包括兩方面，一是本課程配備了助教，充分發(fā)揮助教作用，助教除負(fù)責(zé)批改作業(yè)外，還包括指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)箱使用、系統(tǒng)軟件安裝、程序調(diào)試等具體技術(shù)支持。所聘助教多為教師所在課題組博士，具有豐富的電子電路設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，熟悉FPGA設(shè)計(jì)，具備解答這些問題的能力。另外還有教師所在的科研課題組團(tuán)隊(duì)輔助，共同研究學(xué)生提出的具體工程實(shí)踐問題。

另一個(gè)是將教師的各種聯(lián)系方式發(fā)布給學(xué)生，方便學(xué)生預(yù)約，隨時(shí)安排答疑。課程中間安排課堂測(cè)驗(yàn)，對(duì)測(cè)驗(yàn)成績(jī)較差的學(xué)生集中安排3次集體補(bǔ)習(xí)，集體補(bǔ)課一般安排在課程中間，這是考慮到學(xué)生對(duì)前面的知識(shí)掌握不好，會(huì)對(duì)后續(xù)課程學(xué)習(xí)產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而影響學(xué)習(xí)興趣?？傊ㄟ^教師所承擔(dān)的科研課題、科研團(tuán)隊(duì)、博士助教及教師等課外全方位的技術(shù)支持，為學(xué)生提供最大限度幫助，使得課程目標(biāo)得以順利達(dá)成。

5　結(jié)語

以成果導(dǎo)向?yàn)槟繕?biāo)的“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)更新了教師的教學(xué)觀念，極大地激發(fā)了學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)積極性，使得課程目標(biāo)得以順利達(dá)成。學(xué)生以一種比較愉快的方式獲取知識(shí)，成為受益者。改革成果可以推廣至其他課程，為工程教育認(rèn)證工作打下基礎(chǔ)。這可以從學(xué)生對(duì)課程及任課教師的總體評(píng)價(jià)中看出，學(xué)生對(duì)課程教學(xué)的滿意度較高。下面是2015年秋季學(xué)期任課學(xué)生給予的評(píng)價(jià)，摘自教務(wù)處學(xué)生評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，從中選擇出有代表性的如下：“老師非常負(fù)責(zé)任，教學(xué)很認(rèn)真，導(dǎo)致我對(duì)本課程學(xué)習(xí)非常感興趣，學(xué)得很認(rèn)真。老師態(tài)度極好，教學(xué)能力強(qiáng)，教學(xué)方法很到位，課堂氛圍活躍”。“老師愿意犧牲時(shí)間為學(xué)生補(bǔ)課，課外支持很多，課后支持給力。老師水平高，講課由淺入深，條理清楚，粗細(xì)分明，結(jié)合問題，嵌套設(shè)計(jì)。很關(guān)心同學(xué)的掌握情況，是我大學(xué)四年遇到的最好的老師”?！袄蠋熤v課很有條理，認(rèn)真負(fù)責(zé)，很關(guān)心同學(xué)的掌握情況，講課內(nèi)容清晰重點(diǎn)明確，這門課程收獲頗豐”。

本學(xué)期“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)組的教師最終在全校2000余名教師中評(píng)教得分居前5%，獲得A+。

參考文獻(xiàn):

[1]李志義, 朱泓, 劉志軍,等. 用成果導(dǎo)向教育理念引導(dǎo)高等工程教育教學(xué)改革[J]. 湖北: 高等工程教育研究, 2014(2):29-34.

[2]李志義. 適應(yīng)認(rèn)證要求 推進(jìn)工程教育教學(xué)改革[J]. 北京: 中國大學(xué)教學(xué), 2014(6):9-16.