浅谈项目驱动法在数字电路课程中的应用

作为一所本科独立院校，一直以培养高素质本科应用型人才为办学宗旨，在制定人才培养方案、教学大纲及教学计划时，均要求教师的日常教学要注重理论与实践相结合，某些课程甚至要求以实践为主，或者全实践授课，其目的是为了充分培养学生的实践能力和创新能力。
在这样的要求和背景下，笔者所在的电子信息工程教研室经过多次讨论，决定在数字电路课程率先采取行之有效的改革措施。改革目标是对传统的教学方法进行大力革新，强调应用，侧重实践，着重培养学生的综合素质能力。为此，笔者及教研室请教了许多专家、教授和同行，认真听取他们的意见和建议，并参考学习其他学校的做法，最后决定在数字电路这门课程中，采用偏重于实践的项目驱动式教学法，代替传统的教学方法，以提高学生的实践应用能力。
从目前的实施情况来看，该教学方法在一定程度上激发了学生对本门课程的学习兴趣及热情，提高了学生的实践与应用能力，提升了教学效果，在学生中取得了良好的反响。
1 数字电路教学现状
在本校电子信息工程专业的课程体系中，数字电路的先修课程是电路分析基础和模拟电路，后续课程涉及单片机与接口技术等课程，数字电路课程具有承上启下的地位和作用，十分重要。但该课程的教学普遍存在以下两个问题：①在课程内容的设置上，该课程主要讲授的是三部分，一是逻辑代数基础知识，二是组合逻辑电路，三是时序逻辑电路，大多数课时作为理论课，主要用于讲授枯燥的逻辑代数知识，或者介绍常用的中小规模集成电路，却很少教授这些集成电路在各类数字系统中的实际应用，导致学生并不清楚这些集成电路到底有何用途。即使是实验部分，与该课程配套的大部分实验课，按传统的课程安排，都是验证中小规模集成电路的逻辑功能，设计性和综合性实验较少，甚至没有，学生在做完验证性的实验之后，对集成电路的原理一知半解，很难加以综合运用。②传统的教学方法是填鸭式的，教师站在讲台上讲得口干舌燥，苦口婆心但对学生来说却如同催眠，学生坐在下面哈欠连天，昏昏欲睡，造成这种现象普遍存在的原因，是因为教师在课堂上讲授的内容，大部分都是枯燥乏味的，而学生又是被动听讲，因此学生在大多数时候都很难对课程产生兴趣。
总之，该课程在内容设置上及教学方法上，都很难达到侧重实践与应用的教学要求，难以培养出高素质本科应用型人才，迫切需要进行改革。
2 项目驱动式教学
为了培养应用型人才，数字电路课程对传统的教学理论体系及教学方法进行了较大幅度的改革，主要是以项目驱动教学方法代替传统的填鸭式教学方法，同时删减理论教学内容与学时，提高实践学分和学时在该课程中所占的比例，最后使得理论课与实践课各占50%，即理论部分与实践部分均使用36 学时进行教学。具体改革措施如下：
①删减理论教学内容。数字电路课程所使用的教材是清华大学出版社阎石教授主编的《数字电子技术基本教程》，该教材在内容编排上共分为九个章节。由于理论课时仅安排36 个学时，因此必须对这九个章节进行合理的删减。具体的删减原则，是牢牢把握以实践为主的改革思路，将该课程的教学重点放在集成电路的逻辑功能、测试方法、实际用途及扩展应用等内容的讲授上，少讲甚至完全抛弃不讲集成逻辑门、触发器、存储器和可编程逻辑器件的内部结构和原理。按照上述原则对该课程理论部分的教学安排如表1 所示。

表1 数字电路课程学时安排
②增加实践学分和学时，以项目驱动式教学方法促进理论教学的效果。具体是以三人表决器、八路抢答器、数字时钟和延时灯等四个项目贯穿整个教学过程，将实践与理论紧密结合。在实践这些项目时，首先向学生提出具体的功能和要求，启发学生思考该如何完成这些项目，接着引入相关的理论知识，让学生在学习理论时，同步使用相应的器件进行实践练习。最后要求学生写出项目实践报告，展示实践成果，走上讲台陈述实践心得与体会，回答老师和同学的提问，锻炼学生各方面的能力。上述四个项目的学时安排如表2 所示。

表2 实践项目学时安排
3 四个实践项目
项目驱动式教学法的核心是项目。选取三人表决器、八路抢答器、数字时钟和延时灯等四个项目作为核心实践项目，是因为在这四个项目的实践过程中，恰好能够将数字电路课程的理论基础知识，巧妙地穿插于这四个实践项目中，达到以实践教学促进理论教学的目的。另外，仅选取四个项目，而不是更多的项目，一是出于对课时的考虑，二是出于对学生负担的考虑。若选取的项目太多，在有限的课时内，学生将难以完成所有项目的实践，势必会增加学生在课外的学习负担。再考虑到实践项目时要消耗大量的电子元器件等耗材，因此仅选取四个项目作为学生的核心实践项目，是比较适宜的。四个项目的具体选取原则及说明如下：
①三人表决器。三人表决器的电路结构很简单，主要采用小规模集成的门电路进行设计，仅用三个二输入与门和一个三输入或门，或者三个二输入与非门和一个三输入与非门，再加少量的电阻、按键等元件即可实现。实践该项目的目标是让学生充分理解数字电路基本单元逻辑门，如与门、或门、非门、与非门等逻辑门的原理和用途。除此之外，在项目开展过程中，还会涉及到电子电路的基础知识、逻辑代数基础知识、逻辑函数的表示及化简方法、逻辑门的验证方法等知识点，通过该项目的实践，学生将更好地理解上述理论内容。
②八路抢答器。八路抢答器主要涉及到编码器、译码器等中规模组合逻辑集成电路的运用。该项目紧密联系了数字电路课程前半部分的理论知识，包括逻辑代数基础与组合逻辑电路的特点、分析方法与设计方法。通过该项目的实践，学生将强化理解上述知识点，熟练掌握优先编码器、译码器等组合逻辑电路的功能及用途，还可以直观感受到竞争与冒险现象所带来的影响。相较于传统的教学方法，在设计制作八路抢答器的过程中，穿插引入与组合逻辑电路相关的知识点，学生的接受能力较好，学习兴趣和热情也较高。
③数字时钟。本项目要求学生设计制作一个简易的数字时钟，分别用两位数码管显示分和秒。由于电路中既包含了时序逻辑电路，也包含了时序逻辑电路，因此通过该项目的实践，学生可进一步地学习与掌握各种中小规模的组合逻辑集成电路或时序逻辑集成电路的结构原理与使用方法。另外，由于该项目的综合性较高，学生从计算机仿真开始，到实验室用实验箱验证，再到最后的焊接电路与调试，这一系列步骤，都将有助于学生熟悉数字电路的一般设计方法与步骤，有助于学生了解计数器、锁存器等中小规模集成电路的使用注意事项，加深相关理论知识的理解，提高学生综合应用的能力。
④延时灯。555 定时器是一种工作可靠、使用方便、价格低廉的集成电路，被广泛运用于各类电子产品中，因而本课程要求学生熟知555 定时器的功能及原理，熟练掌握555 定时器的使用方法。本项目正是要求学生利用555 定时器组成单稳态触发器，在此基础上设计出一个简易延时灯，当按下开关后，LED 灯点亮，经过一段时间后，LED 灯自动熄灭。通过该项目的实践，学生将更加深入地理解555 定时器的内部结构和工作原理，并能做到举一反三的应用。实践证明，由于该项目十分贴近日常生活，因而学生的学习兴趣非常之高，教学效果较佳。
4 考核办法
数字电路课程将理论部分与项目实践部分分开进行考核。其中，理论部分仍然采用与校内其他课程一致的考核方式，即“2+2+6”，平时成绩占总成绩的20%，期中成绩占总成绩的20%，期末成绩占总成绩的60%。项目实践部分则按照四个项目阶段分别进行评分，每个项目阶段的评分占总成绩的25%。而每个项目阶段的评分，又分为项目是否按时完成、是否实现预期效果、焊接工艺是否规范、项目报告书是否完备、答辩是否通过等多个方面，分别进行评分。
5 教学效果
项目驱动法在数字电路课程中的应用目前已在电子信息工程专业2014 级和2015 级学生进行了改革尝试。与该课程在2013 级学生以前的教学相比，在2014 级和2015 级的教学过程中，笔者作为任课教师的直观感受是，学生的学习兴趣和热情均有显著的提高，课堂气氛也较为活跃，学生对数字集成电路的综合应用能力得到显著的提高。
从学生的角度而言，笔者在改革之前和改革之后，均在学期末对2013 级、2014 级、2015 级学生展开了问卷调查，设计了一些简单的问题，了解学生对该课程的学习情况，借此评估该课程在改革前后所取得的教学效果有什么不同。问卷调查统计结果如表3 所示。
上述问卷调查结果表明，与2013 级的学生相比，2014级和2015 级的学生，在教学周期内，对数字电路课程始终保持着学习兴趣和热情的人数比例有较大的提升。与此同时，自认为较好地掌握了该课程内容、基本掌握常用MSI的使用方法、基本具备设计简单数字系统的能力的学生比例，也有明显上升。
虽然该统计结果由于统计的学生人数较少，设置的问题数量较少，问题本身也比较简单，因而从统计学的角度严格来讲，该结果并不具备统计意义，但该结果还是可以从一定程度上说明，由于数字电路课程引入了项目驱动式教学方法，教学效果显然要比传统的教学方法更好。

表3 数字电路期末问卷调查
6 结语
数字电路课程若采用传统的教学方法，难以培养出应用型人才，必须进行教学改革，将理论与实践进行紧密结合，力图贴近实际应用与日常生活，如此才能有效提高学生的学习兴趣和热情，为学生后续的专业发展奠定坚实的基础。经过笔者及所在教研室的摸索与尝试，目前的教学结果表明，以项目驱动课程，或是以项目主导课程的教学方法，使得学生的学习兴趣较为浓厚，课堂气氛较为活跃，学生的主观能动性得到充分的发挥，学生更容易理解相关理论知识，后续的应用能力也更强。项目驱动式教学法，是值得在其他课程中推广和应用的教学方法。