孫敏 金印彬 寧改娣

摘要：文章基于OBE理念，以工程教育認(rèn)證為背景，針對(duì)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題進(jìn)行了一系列改革。以學(xué)生具備數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)，將相互獨(dú)立的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)橐皂?xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向、項(xiàng)目組成模塊為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并將數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和方法融入每次實(shí)驗(yàn)，由淺入深地使學(xué)生逐步掌握數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程和方法，最終具備扎實(shí)的硬件描述能力和綜合設(shè)計(jì)能力。實(shí)踐證明，數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)改革極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，鍛煉了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，使學(xué)生具備了一定的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：OBE;數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1673-8454（2020）02-0041-03

一、背景

成果導(dǎo)向教育（Outcome-Based Education，簡稱OBE），源于20世紀(jì)90年代的北美地區(qū)[1][2]。在美國等一些發(fā)達(dá)國家已有多年的理論與實(shí)踐探索，至今已形成了一套比較完整的理論體系和實(shí)施模式，而且已證明是高等工程教育改革的正確方向[3]。OBE理念要求教師清楚學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)達(dá)到什么樣的結(jié)果，然后尋找并設(shè)計(jì)適宜且有效的方法使他們達(dá)到這些結(jié)果[4]。OBE理念從傳統(tǒng)的“以教師為中心”轉(zhuǎn)向“以學(xué)生為中心”，注重對(duì)預(yù)期學(xué)習(xí)效果的把握，按照畢業(yè)時(shí)學(xué)生所應(yīng)達(dá)到的要求制定教學(xué)計(jì)劃和培養(yǎng)方案，以便預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果的實(shí)現(xiàn)。

美國工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)（ABET）全面接受了OBE的理念，并將其貫穿于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的始終。2013年6月，我國被接納為《華盛頓協(xié)議》簽約成員。相關(guān)實(shí)踐證明，用成果導(dǎo)向教育理念引導(dǎo)工程教育改革具有現(xiàn)實(shí)意義[5][6]。

我校電氣工程學(xué)院于2018年9月提出認(rèn)證申請(qǐng)并獲得批準(zhǔn)。與此同時(shí)，我們對(duì)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行了改革與試點(diǎn)，將OBE理念貫穿于實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程之中。數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是我校電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)的基礎(chǔ)課，面向大二年級(jí)的本科生，是培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能與工程實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)?；贠BE理念[1][7]，我們重新思考了數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，是要讓學(xué)生通過各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)最終掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法，學(xué)會(huì)利用EDA（Electronics Design Automation）工具進(jìn)行數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從解決復(fù)雜工程問題中提升工程實(shí)踐的能力、分析和解決工程問題的能力，并且會(huì)撰寫標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。因此，我們總結(jié)了目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，以O(shè)BE理念為指導(dǎo)進(jìn)行了一系列改革。目前，該課程改革已進(jìn)行了兩屆試點(diǎn)，效果顯著。

二、基于OBE理念的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)改革

1.以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，變革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，簡稱PLD），包括現(xiàn)在的CPLD和FPGA。隨著以PLD為主的新技術(shù)及其行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)教學(xué)體系與行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用需求產(chǎn)生了偏差[8]，首先，傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)的許多內(nèi)容已經(jīng)被淘汰。例如，卡諾圖在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中很少用到。此外，傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的許多中小規(guī)模器件都已經(jīng)淘汰，市面上很難買到。傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)的狀態(tài)是教的不用，用的不教，有些內(nèi)容僅僅用于考試，實(shí)際生活中基本不用。

國外數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)早已更新成基于CPLD和FPGA的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如MIT、Stanford和UC Berkeley等美國很多著名高校不斷跟進(jìn)數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，都是在基于新型FPGA的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上開展《數(shù)字電子技術(shù)》《微處理器結(jié)構(gòu)》《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》等課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)[9]。

基于硬件描述語言的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)的主流[10]。因此，我們針對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行了以下四個(gè)方面的改革：

（1）合理分配學(xué)時(shí)

作為實(shí)踐類的課程，教學(xué)內(nèi)容必須緊跟技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)的需求，而數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的提升需要大量、不斷的設(shè)計(jì)實(shí)踐的積累。因此，我們將實(shí)驗(yàn)課程的重點(diǎn)放在對(duì)學(xué)生數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)上，將傳統(tǒng)基于中小規(guī)模器件的相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)壓縮，由原來的8學(xué)時(shí)變?yōu)?學(xué)時(shí)，其余12學(xué)時(shí)均轉(zhuǎn)向基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。保留中小規(guī)模器件實(shí)驗(yàn)的主要目的，是通過門電路的功能和特性測試，使學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)和理解，便于學(xué)生掌握數(shù)字電子電路的基本原理和工作過程。

（2）以項(xiàng)目為始，以項(xiàng)目為終

在基于FPGA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，通過教學(xué)要達(dá)到的目的和效果引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。改革之前，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，通過Verilog語言進(jìn)行功能電路描述與驗(yàn)證。例如，多路選擇器、3-8譯碼器、秒脈沖發(fā)生器等實(shí)驗(yàn)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)之間沒有相互聯(lián)系，學(xué)生最終并未真正掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，只見樹木不見森林。

為了培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，我們拋棄了大部分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，改為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，并且以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，每學(xué)期提出一個(gè)復(fù)雜設(shè)計(jì)性題目，然后將題目分解成幾個(gè)有相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，采用遞進(jìn)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排，最終完成一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。通過完整的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠體驗(yàn)到一個(gè)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過程，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的系統(tǒng)性思維[11][12]。

（3）潤物細(xì)無聲

教師在教學(xué)過程中將數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和方法融入每次實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)電路與Verilog語言程序的對(duì)應(yīng)關(guān)系，注重?cái)?shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想與方法的傳授，如有限狀態(tài)機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換、模塊化設(shè)計(jì)等，既體現(xiàn)FPGA的特點(diǎn)，又能包含F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，使學(xué)生在循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)過程中逐步掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程和方法。

（4）人人都能成功

在題目設(shè)置方面，將題目拔高到學(xué)生可以夠得到的程度，促使學(xué)生努力去做。同時(shí)，題目又是分級(jí)別的，分別設(shè)置基礎(chǔ)要求和提高要求，學(xué)生根據(jù)自己的能力完成相應(yīng)難度的題目要求，體現(xiàn)了差異化教學(xué)，確保人人都能掌握基本的設(shè)計(jì)方法。

2.豐富微信公眾號(hào)內(nèi)容，課內(nèi)課外協(xié)同

由于學(xué)時(shí)數(shù)有限，通過課堂講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)，很難做到全面細(xì)致;數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)需要大量扎實(shí)、循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)練習(xí)，僅僅完成課堂實(shí)驗(yàn)任務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到學(xué)習(xí)的目標(biāo)。同時(shí)，學(xué)生需要學(xué)習(xí)一種新的硬件描述語言——Verilog語言，它不同于其他高級(jí)編程語言，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)理解和掌握存在困難，需要在大量的練習(xí)中不斷總結(jié)和積累。

針對(duì)以上問題，我們建立了數(shù)字電子技術(shù)微信公眾號(hào)，將基礎(chǔ)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)任務(wù)公布在公眾號(hào)上，如ISE軟件的使用、引導(dǎo)例程以及有關(guān)Verilog語言設(shè)計(jì)要點(diǎn)，常見Warning和Error處理方法等。學(xué)生可以利用公眾號(hào)隨時(shí)隨地進(jìn)行課下自學(xué)和預(yù)習(xí)，在短時(shí)間內(nèi)掌握FPGA設(shè)計(jì)的基本方法。

實(shí)驗(yàn)教材還給出大量的數(shù)字電路模塊實(shí)例和練習(xí)。例如，譯碼器、編碼器、多路選擇器、比較器、加法器、移位寄存器、計(jì)數(shù)器等等。學(xué)生在課下進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)練習(xí)，并根據(jù)公眾號(hào)發(fā)布的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和要求完成課上實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

3.制作實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，規(guī)范實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)報(bào)告是一個(gè)完整實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，是對(duì)實(shí)驗(yàn)的再次思考、分析和總結(jié)的過程，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)者的科學(xué)素養(yǎng)。學(xué)生今后無論是畢業(yè)設(shè)計(jì)還是研究生學(xué)習(xí)，都需要將研究結(jié)論、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以報(bào)告的形式提交。因此，撰寫標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告是學(xué)生必須具備的一項(xiàng)基本能力。往屆學(xué)生上交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告常常存在各種格式不規(guī)范的問題，如缺少目錄、字體大小不合適、圖表格式不規(guī)范、沒有完整的數(shù)據(jù)分析等諸多問題。如何指導(dǎo)學(xué)生完成一份合格的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，也是此次改革的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

為此，我們制作了實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，要求學(xué)生套用報(bào)告模板撰寫報(bào)告。模板中包含了摘要、目錄、附錄等報(bào)告所需的基本元素，也給出了規(guī)范的標(biāo)題和正文字體、字號(hào)以及圖表的格式要求。通過引導(dǎo)，學(xué)生提交的報(bào)告雖然仍會(huì)出現(xiàn)這樣那樣的小問題，但總體來說在規(guī)范性和內(nèi)容完整性上有了很大程度的提升。

三、實(shí)驗(yàn)案例的具體實(shí)施

1.題目設(shè)置與課程安排

以2019年春季教學(xué)為例，本次選擇的設(shè)計(jì)內(nèi)容為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，自選信號(hào)發(fā)生器頻率的控制方法。基本功能要求為輸出正弦波，且頻率可變。頻率變化范圍：1Hz-9999Hz。提高要求則是在此基礎(chǔ)上，產(chǎn)生三角波和方波，且實(shí)現(xiàn)幅度和直流偏移可調(diào)以及擴(kuò)大頻率輸出范圍。確立題目后，我們將題目分解到每次實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，每一步都是在前一步的基礎(chǔ)上展開的。實(shí)驗(yàn)具體安排如表1所示。

2.現(xiàn)場教學(xué)與考核

實(shí)驗(yàn)課程一開始，教師就告知學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課最終要完成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)。學(xué)生首先有一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的概念，站在系統(tǒng)的角度去搭建系統(tǒng)組成的每一個(gè)模塊。從FPGA實(shí)驗(yàn)開始，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K都在為最后一次函數(shù)信號(hào)發(fā)生器做準(zhǔn)備。每次實(shí)驗(yàn)又是一個(gè)相對(duì)比較完整的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，都有一定的難度，只有把每一次實(shí)驗(yàn)都做好，才能保證后續(xù)實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

我們通過課前預(yù)習(xí)、課內(nèi)講解和當(dāng)堂驗(yàn)收來推動(dòng)學(xué)生一步步地完成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。一方面，學(xué)生需要在課前根據(jù)公眾號(hào)提供的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，并對(duì)設(shè)計(jì)中模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證，只有驗(yàn)證通過了才能進(jìn)行下載調(diào)試。另一方面，每次實(shí)驗(yàn)課都要進(jìn)行10-15分鐘的講解，重點(diǎn)講解設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)原理，強(qiáng)調(diào)Verilog語言的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)規(guī)范。在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)出現(xiàn)的共性問題，隨時(shí)給予講解。此外，我們鼓勵(lì)學(xué)生相互討論，但杜絕照搬照抄，為此每次實(shí)驗(yàn)都會(huì)在基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整實(shí)驗(yàn)要求，不同班級(jí)驗(yàn)收的內(nèi)容不盡相同。并且在驗(yàn)收時(shí)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)知識(shí)和要點(diǎn)的考察。

3.答疑和實(shí)驗(yàn)室開放

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)必須使用示波器，在最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)周前的周日和周六，我們?nèi)扉_放實(shí)驗(yàn)室，并給學(xué)生提供答疑。學(xué)生的積極性很高，實(shí)驗(yàn)室全天爆滿，甚至到了晚上12點(diǎn)，有的學(xué)生還不愿意離開。為此，我們將最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)周除有實(shí)驗(yàn)課外的時(shí)間，全天對(duì)學(xué)生開放，盡可能多地為學(xué)生提供學(xué)習(xí)條件，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

4.作品驗(yàn)收與實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交

最后一次實(shí)驗(yàn)課，進(jìn)行課內(nèi)作品驗(yàn)收，學(xué)生需向教師展示所實(shí)現(xiàn)的作品功能，講解系統(tǒng)功能和設(shè)計(jì)思路，并回答教師提出的問題。同時(shí)，學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告及作品演示視頻，教師當(dāng)面指出設(shè)計(jì)報(bào)告中存在的問題。99%的學(xué)生都能完成基本實(shí)驗(yàn)要求，40%的學(xué)生能完成1-2項(xiàng)提高要求，并且在實(shí)現(xiàn)方法上多種多樣。

四、結(jié)語

教研組在改革的過程中充分貫徹了OBE思想，以項(xiàng)目為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心，不僅注重學(xué)生最終的實(shí)踐成果，更注重學(xué)習(xí)和實(shí)踐的過程，教師通過題目的層次化設(shè)計(jì)，分節(jié)引導(dǎo)，使學(xué)生逐步具備扎實(shí)的硬件描述能力和綜合設(shè)計(jì)能力。

數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)不再是簡單的模塊電路設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，而是通過最終完成一項(xiàng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)來檢驗(yàn)學(xué)生基礎(chǔ)是否牢靠，是否具有數(shù)字系統(tǒng)的硬件描述能力。經(jīng)過試點(diǎn)，學(xué)生的興趣和積極性大大提高，都能在教師的引導(dǎo)下完成最終的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，并且目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方法靈活多樣，具備了基本的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和撰寫規(guī)范實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力。

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