［摘要］数字电子技术课程是本校电子工程类学生重要专业背景课，该文就对分课堂提高学生积极性和参与感、雨课堂平台追踪学生学习进展、将理论与工程实践以及EDA技术联系起来、培养学生综合能力等几个方面进行探讨，以期能改善高校数字电子技术课程教学效果，以学生为中心，突出能力培养。
［关键词］数字电子技术；对分课堂；雨课堂；EDA设计
一、数字电子技术课程传统教学存在的问题
美国国家训练实验室研究表明，在学习金字塔中，采用不同的学习方式，学习者学习内容的平均留存率有较大差距。若通过听讲、阅读、视听或演示方式学到的内容，学习者会以较快的速度遗忘；而通过讨论、实践或亲自教授给他人等主动学习方式，则可以给学习者留下更深刻的记忆及认识。在传统的数字电子技术教学过程中，教师通常采用“满堂灌”的方法进行授课，侧重知识灌输，学生填鸭式被动接纳内容。当然如果老师思路清晰，语言感染力强，可能教学效果还会略好，但对于讲课死板的教师，尤其是教学内容枯燥晦涩时，非常容易使学生产生疲劳和厌倦，教师失趣，学生失序，效率极低。实际的教学过程中，特别是当教学对象变为伴着电子产品长大的“00后”一代，传统的教学方法存在着诸多问题，并不完全适应新时代学生的特点[1]。教师授课时更多讲解关于数字电子技术概念、定理，附加大量课后习题训练，忽略了数字电子技术和实际实践的联系，缺少师生、生生之间的交互，使得部分学生感觉数字电子技术课程单调乏味，动力不足，即便直到课程结束也依然完全不能实际应用于工程实践，无法与现代数字系统相适应。因此，我们在数字电子技术教学的实践中对教学方法进行改进，以培养能力为目标、以综合实践为主线，遵循“课前学习—课上精讲—小组讨论—实验实践”的教学模式；形成了全程考核、评价反馈和教学策略持续优化的方式方法，在学习讨论中掌握知识、拓展思维，在自主实践中形成能力、激发创新。
二、“对分课堂”在数字电子技术课程中的应用
结合传统课堂与讨论式课堂的各自优势，将“对分课堂”（PAD）引入教学，其教学过程划分为三个阶段，即讲授（Presentation）、内化吸收（Assimilation）和研讨（Discussion）[2]，把一半课堂时间分配给教师讲授，一半时间分配给学生进行讨论，既能充分发挥教师价值，又能调动学生积极性，实现高质量课堂互动。在该教学模式下，教师要适度减少课堂教学内容，一方面需进行更精细的教学设计，梳理出课堂内外的教学内容，另外一方面也需要采取有效措施来确保学生能在课外发生有效学习行为，取得可衡量的学习成效。在数字电子技术课程实施过程中以夯实理论为基础，强化学生现代电子技术应用能力为目标，以综合实践为主线，将数字电路与EDA技术中的部分内容进行融合，重构教学内容，优化教学手段，课程教学设计围绕以下几个方面进行：
（一）调整教学内容。数字电路已进入超大规模集成电路时代，而EDA技术作为代表电路设计的最新发展方向，从培养专业人才的根本目的出发，通过对传统的数字电路课程进行教学改革，将它与现代EDA技术相融合，缩短基础理论知识与现代数字电路设计之间的差距，学生通过随堂实验直观感受，了解利用EDA技术对数字电路进行分析和设计的基本方法，为后续专业课的学习奠定了基础，实现理论与实践教学的有机结合，培养学生的科技信息能力和工程实践能力。数字电子技术课程由传统的数字电路引入FPGA平台、硬件描述语言等EDA技术后，教学重点从“培养集成器件的外部特性及应用能力”调整为“器件应用能力＋数字逻辑设计思维＋语言建模能力”，学习要求提高了而学时数不变，则需要对本课程教学内容进行变革调整。基于此我们从两方面进行改进，一是减少传统数制码制、逻辑函数化简的学时，压缩SSI集成电路的讲解；简要讲解关于逻辑门电路的内容，在课程讲述中穿插硬件描述语言的基本知识，讲述硬件描述语言的语法结构以及并行语句、顺序语句方面的知识，要求能用硬件描述语言设计简单的组合、时序逻辑电路；二是在实验课上讲解相关软件和硬件平台的使用，学生完成基本实验[3]，利用EDA软件仿真功能，课下布置仿真实验，完成理论性验证，同时加大综合设计实验和自主研究实验的比例。例如在数字电子技术移位寄存器学习过程中，对触发器级联构成移位寄存器的电路分析是非常重要的。其分析方法是，根据给定的逻辑电路图，了解电路的输入、输出信号，了解触发器的类型，根据触发器特性方程得到触发器状态转换，进而列出转换表或画出状态图和波形图，即可确定电路的逻辑功能。若通过EDA软件，使用硬件描述语（HDL）言对其进行仿真建模，既可以通过软件逻辑综合得到从HDL描述的数字逻辑电路模型中导出电路基本元件列表以及元件之间的连接关系，如图1（a）所示；也可以通过调用ModelSim仿真得到相关信号时序图，如图1（b）所示。硬件描述语言用形式化方法描述数字电路和系统，利用这种语言，数字电路系统的设计可以从上层到下层，从抽象到具体，逐层描述自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统，然后利用电子设计自动化EDA工具逐层进行仿真验证，再把其中需要变为实际电路的模块组合，经过自动综合工具转换到门级电路网表，提高电路设计的效率和可靠性。
（二）改进教学方式。1.课堂讲授融入实际应用。目前数字电子技术教学通常开篇就开始讲授二进制代码、逻辑门、组合逻辑函数等，在该模式下，最大问题在于没有讲到为什么要学进制代码、为什么要分析数字电路。也就是说通常我们教师并没有提出数字电子技术课程学习的意义，也没有说明它在实际中的应用。因此我们在教学中引入精选电子装备和生活应用典型案例，对基本器件、基本原理、基本方法展开讲解，从实验现象或测试问题中发现问题，围绕问题的解决开展教学和重难点分析，改变传统理论教学满堂灌的教学方式，运用案例式教学，学生通过研究工程实例，了解工程应用，从而学以致用，提高学习兴趣，活跃课堂气氛。2.课上课下实施口袋实验。学生需转变被动学习的观念，结合实践项目，鼓励学生接触和阅读相关的数据文档，研究实际工程案例和经典设计，采用口袋实验室在任何时间、任何地点开展自主实验，全方位提升电子实践能力。例如在2020—2021学年度上学期课程中，采用了专为初学者打造的FPGA入门工具—STEPFPGA开发板，基于Altera公司芯片，小巧携带方便，板载资源丰富（如下表所示），板卡集成了下载器，一根MicroUSB数据线即可完成开发板的供电与下载，配套文字资源也是十分齐全。在课堂讲授的同时，通过实验环节，便于学生构建物理模型；在课下，学生可以随时随地开展自主探究实验，有效拓展了课后作业的形式，有利于形成课上＋课下联动学习的氛围，便于培养学生的动手实践能力的和提高创新意识。3.围绕案例开展小组研讨。研讨是对分课堂理念中不可或缺的重要组成部分，基于同伴学习的理念，设立小组，开展合作学习（3—5人一组），发挥学生帮辅的作用，相互督促。根据教学内容，结合新技术、新方法的运用，开展研讨活动，由教师提供扩展学习资料、提出问题，学生自主探索，并在此基础上开展以小组为单位的合作研讨，提高既定学习目标达成率。将平时表现纳入最终的期末考核评价，考核中既有针对小组共性的评价标准，也有学生个人表现评价标准。4.结合线上注重个性学习。对分课堂不仅包括课堂重难点讲授、小组研讨学习，更充分利用信息化资源和手段，利用移动互联网时代带来的红利，辅助以移动端的在线学习。雨课堂是一款清华大学和学堂在线共同推出的新型智慧教学工具，将信息技术融合于PPT和微信平台[4]，能够由后台系统记录细节性教学行为数据。因此选择以雨课堂平台为“器”，深入关注学生学习成效。课前要求学生在规定时间内完成雨课堂课前预习推送，在教师指导下完成课前基本概念、基本原理的自学，也可插入慕课视频或其他网络教学资源，手机设置，同时在课件中设定的少量习题。教师通过雨课堂数据采集功能获得课前预习反馈，如学生是否完整观看PPT课件、观看总时长以及完成时间等，通过该反馈了解每个学生的预习情况。提倡学生课前深度学习，完成既定学习目标和课前测试，围绕课中讲授及研讨，精准解决问题。教学结束后，对于传统课堂，教师一般通过布置作业，学生上交作业本，批改作业，获得教学反馈，但是该方式难以统计、记录学生真实情况，此时可利用雨课堂对学生课后复习进展进行监测。以PPT课件的形式推送单选题、多选题、计算题、主观题等，总体上关注核心知识点的掌握，不必为难学生。设置时间、作业提交截止时间以及学生看到解答的时间，线上批改。雨课堂无须教师手动统计Excel，可以直接将学生测试成绩、结果数据提供给教师端，如图2所示，该数据使教师一目了然学生的参与情况、知识点的驾驭情况，为平时成绩提供重要依据。在课后推送中，亦可加入相关知识点拓展，满足不同学生学习需求，创新课后多元化作业，因材施教，注重学生个性化学习。
三、课程考核
按照课程改革的总体设计，本课程一直遵循“形成性考核和终结性考核相结合”的总体要求。在教学活动中展开实施“理论知识随堂考，实践能力全程考，综合能力终结考”的具体做法，以学习成效为中心，促进学习效果的实质性提升。在学习过程中，通过两个途径实施奖励。一是对学习过程中学生表现出的个别优秀的点予以充分表扬，力度要大，用词要舍得的；二是在进入中后期阶段，部分优秀的学生脱颖而出，无论是态度还是成绩，都很优秀，此时给予实质性奖励，如当堂宣布期末考试有相应加分或者实物奖励（口袋实验室器材）。让这部分学生不再为成绩是否及格纠结，专注课程的学习，同时也示范给成绩中下水平的学生，以此激励。淘汰机制没有效建立和运作起来的现阶段，应该引导和督促学生把主要精力放在学习知识培养能力方面。教师在实施过程中通过建立“预警机制”来督促学习，对学习过程中出现的明显成绩落后不投入不努力不上心的学生，通过测验、考核、提问、互动、关心等措施予以关心，促进其有效转变。本课程考核评价中总成绩由平时成绩、实验成绩、期末终结性考核三部分构成，各占比30%、30%、40%，平时成绩又分为平时互动及线上雨课堂推送完成情况，其中平时表现的评价标准为是否积极参与教学互动、课堂展示，而是否能够在规定时间内完成基本实验及综合设计实验则是学生实践能力的重要评判依据。也就是说考核的每一项在总分中都占一定的比例，对最后的总成绩都会有影响。考核并不等于考试，采取各种考核方式就是为了全方位多角度地督促学生学习，在这个过程中挖掘、锻炼和提升学生思维能力、沟通能力、团队协作能力等，同时考查学生对课程知识的掌握情况。
四、结语
对分课堂应用于数字电子技术课程中，对课堂教学内容做减法，精炼讲授，拓展研讨，配合实验环节，可以使学生更加扎实掌握数字系统理论知识，对数字逻辑电路和数字系统有更深入的理解，具备大规模可编程逻辑器件进行数字电路设计和开发能力，具备解决实际问题的能力。加之移动端雨课堂平台在课前及课后推送预先设计好的PPT，对相关数据进行采集与统计，形成客观而全面的评价。在实施过程中，不是仅仅丢给学生一堆学习任务，而是帮助学生制定好学习目标，告诉学生要训练什么能力；其次重点是指导学生如何进行数字电子技术的学习，具备可操作性和针对性，明确告诉学生应该怎么做，对于培养学生良好的自学习惯，提升教学效果，是一次难得的机会。
作者:王肖君 吴苏 朱旭芳 单位:海军工程大学电子工程学院
