摘要:本文應用“啟發式教學”方法于“數字電路與系統設計”課程中。具體實踐時，采用“提出問題”、“啟發思考”、“二分解答”以及“對比分析”四個步驟，將復雜的設計問題通過“提問－啟發－思考－解答”的思路循序漸進給予解決。教學實踐表明，啟發式教學取得了良好的教學效果，值得深入持續推廣。

關鍵詞:數字電路;啟發式教學;解答與對比

0引言

“課堂提問、學生回答”這一師生互動的基本形式，一直是教學實踐環節中很重要的策略之一，也是廣大教師們教學質量提升的“法寶”，應用十分廣泛［1～2］。2017年10月17日《新華日報》文體版上發表的一篇“好的教育，是一場與生命的對話”中指出:“引導學生自主研究與探索”，引導學生跳出書本死知識，參與連接黑板世界和現實世界的實踐”是非常重要的。通過“提問與啟發”，激發學生的興趣點，提高課堂參與度也適用于高等學校的專業課教學［3］。“數字電路”屬于電子信息大類專業課教學的主干課，具有工程實踐性強、課程內容更新快以及前沿研究發展迅速的特點。正因為如此，“數字電路”課程教學改革、教學方法的改進以及教學策略的凝練勢在必行。文獻［4］結合目前數字電路技術的發展現狀，從教學改革指導思想、教學內容、教學方法、教學手段以及實踐性教學多方面提出了若干建議。其中，文章指出，設計方法及新技術的補充是教學內容改革的重點。教學內容要增加實踐教學;教學方法應圍繞教學內容的增加，利用課堂討論，增強學生主觀能動性和自學能力;同時要改善考試考察方式，增加實驗考核。教學方法方面，提到要利用多媒體、計算機仿真以及網絡教學三種方式，增強教學效果。此文獻對數字電路的教學方法進行了歸納，為數字電路及相關信息大類專業課的教學方法實踐提供了一定指導和借鑒。文獻［5］闡述了“單片機接口技術”課程中進行的教學模式探索。該文圍繞人本、構建以及發展思想，在課堂、練習、考核及課程設計幾方面進行創新，取得了較為顯著的教學效果。文獻［6］基于“數字電路”課程，提出了項目化教學的實踐方案。具體實踐環節，課堂上引入討論法，教學內容上增加設計類實驗。本文首先闡述了啟發式教學模式的核心思想，再通過教學實例分步驟闡述具體教學實踐策略，繼而基于教學實踐給出了啟發式教學的設計準則。最后，對全文進行總結。

1啟發式教學模式概述

“啟發式”教學理念的核心在于“提問”，即構建基于問題探索的對話情境，提倡運用質疑與設問將學習內容巧妙地轉化成以問題探究為核心的教學對話。從而激發學生的學習動機，幫助學生理解。基于“數字電路”課程的普及性，以及學生對知識的掌握程度不同，擬采用近30年“數字電路”課程總結出的啟發式教學模式。“啟發式”教學模式，主要包括“提出問題”、“啟發思考”、“二分解答”以及“對比分析”四方面。圖1中提出問題環節可以是多個問題，一個個的問，展開形式可以多樣，可以通過后面分別搭配“啟發思考”、“二分解答”，也可以同時搭配“啟發與解答”。提出問題及啟發思考的核心目標是激發學生的學習動機，這也是啟發式教學過程中的關鍵所在。因此，如何設定問題以及啟發方式的選擇是至關重要的。具體實踐時，通常采用“設問－思考－解答－對比再思考”的循序漸進模式。針對具體的教學內容，采用啟發式教學上課時不斷提出問題，啟發同學們思考，請同學們回答，然后給出答案。教師通過循循善誘的講解，啟發和引導同學們同步思考，具體通過“提問－思考－做題同時啟發－對比答案同時總結”的模式，使他們能夠在逐次遞進的講解過程中能夠集中精力，取得了良好的教學效果。所述“啟發式”教學模式，體現在“數字電路”專業課的教學環節中的各個階段，下面分階段介紹。

2啟發式教學的分布解析

本文主要分析數字電路與系統課程設計教學中存在的問題，從課設內容、課設項目設計的方法、強化實踐技能等方面改進數電課設的教學，強化過程考核。培養學生理論聯系實踐的能力，強化數字系統的設計與分析，提高學生編程和自主解決問題的能力。數字電路與系統課程設計是電子信息、通信工程等專業在學習了數字電路與系統課程后所進行的綜合應用課程實習，是電子、自動化專業重要的實踐教學環節，數電課設在培養學生實踐能力方面具有極其重要的意義。通過改進課程的教學與過程考核，培養學生理論與實踐相結合，強化數字電路的設計與分析能力，提高實踐能力。

1數電課設教學的意義及現狀分析

數電課設的教學中，共12學時，0.5學分，共6次課。很多學生重視理論的學習，而忽視實驗的重要性。數電課設是一門理論與實踐相結合的綜合應用課程，通過不同的實驗才能深入理解數字邏輯電路的設計與分析和VHDL語言程序控制流程。數電課設可以提高學生解決問題的能力，增加學生的就業機會。但是在數電課設的教學過程中，存在一些問題需要改進。

1.1編程和調試能力需提高

數電課設使用quartusII集成開發環境進行VHDL語言編程，教學過程中發現學生對VHDL語言的語法掌握不牢，程序流程圖設計有待提高，獨立編寫代碼比較困難。對quartusII軟件的使用不熟練，如創建元器件符號、繪制原理圖、功能仿真等。學生遇到問題，首先想到的是找老師解決，而不是獨立思考尋找解決辦法。

1.2自主設計和創新能力欠缺

對于數電課設的實驗內容，按照實驗指導書進行驗證，不需要從頭到尾獨立思考設計軟硬件。尤其是當學生面對大四相關的畢業設計課題時，往往不知道如何設計系統和搭建硬件電路等。實驗過程中有很多地方可以優化創新，學生完成基本教學任務而缺乏主動尋找創新點，優化系統設計，提高測量精度等。

1課程教學中出現的主要問題

（1）學生對課程學習缺乏興趣。主要原因是：①學生對計算機專業的相關情況了解不全面，通常認為該課程不屬于計算機的課，是否學好都無關緊要；②學生因對專業知識、電學知識的陌生而產生消極心理，失去課程學習的興趣。（2）學生的基礎參差不齊，而課程概念較多、內容較抽象、邏輯性較強。對實際電路環境有概念的學生，學習興趣可能建立得較快；但對相關概念空白的學生就會感到課程難懂、難學，繼而失去學習的興趣。（3）先修課程的教學目的不明確，涉及到的課程相關知識掌握不到位，如大學物理中關于電學的物理現象及概念、高等數學中復數的計算方法等等，學生學過也不知所以然；（4）課程內容不合理且偏多，涵蓋了基本電路分析、模擬電路分析及數字電路分析三大內容板塊，有限的課時需要更合理地統一這三方面知識；（5）教材內容都較經典，與時俱進的實際內容較難體現，學習枯燥感會由此而生。（6）實驗教學內容太過于詳細，實驗的目的無法體現，對知識的理解僅限于表面。

2合理分配教學內容，建立正確教學方法

結合我校計算機專業教學計劃，課程的教學課時定為64課時，其中理論課時為48課時，實驗課時16課時。課時有限，教學內容應圍繞專業的培養計劃進行優化選擇和重新組織，保證知識的系統性和完整性基礎上突出能力培養，增加教學內容的關聯性，涉及先修課程的內容以定義式形式給出，充實一些與專業密切相關的內容。

2.1關于理論教學

理論知識是課程實踐的基礎，成為課程教學中的一個重要環節。電子技術課程涵蓋了三大板塊知識，理論教學的內容根據專業的特點和需要進行取舍，依據職業崗位對技能和知識的實際需要，重點體現夠用，建立合理的知識結構，淡化知識的學術性和理論性；教學思路上遵循電路器件特性、電路處理方法及電路分析方法三條主線，有針對性地選擇教學例題，提高教學效果，明確教學目的。

2.1.1基本電路分析

摘要：

當前的數字電子技術教學內容陳舊，傳統的教學方法和手段逐漸不適合現代的課程教學。基于此，文章結合數字電子技術教學現狀，在教學中以課程任務訓練為載體，采用“教、學、練”一體化的模式進行教學，從理論教學、實驗教學、開設課程任務訓練三方面對該教學模式下的數字電子技術教學策略進行探討。

關鍵詞：

數字電子技術；一體化；課程教學

數字電子技術是工科類院校電子電氣類專業的基礎性課程，主要教學數字電路基本的分析和設計方法，使學生熟練掌握電子元器件的邏輯功能，其教學效果的好壞對專業的后續課程有較大的影響。隨著現代電子技術的發展，當今社會對人才綜合能力的要求也越來越高，課程信息量也在不斷增加。數字電子技術作為一門重要的專業基礎必修課，其教學內容缺乏時代性，較為落后，且教學方法單一，與現代課堂教學的要求相悖。因此，對數字電子技術教學方法和教學內容進行改革顯的尤為重要。為了使學生能夠真正將理論知識與實際的數字電路融會貫通，應在課程教學中精心組織、設計該課程的教學環節，將理論與實際有機結合，采用“教、學、練”一體化的模式進行教學。實踐表明，該教學模式能更好地推進該門課程的教學改革，較好地完成教學目標。

一、理論教學

（一）采用案例輔助教學

本文主要分析數字電路與系統課程設計教學中存在的問題，從課設內容、課設項目設計的方法、強化實踐技能等方面改進數電課設的教學，強化過程考核。培養學生理論聯系實踐的能力，強化數字系統的設計與分析，提高學生編程和自主解決問題的能力。數字電路與系統課程設計是電子信息、通信工程等專業在學習了數字電路與系統課程后所進行的綜合應用課程實習，是電子、自動化專業重要的實踐教學環節，數電課設在培養學生實踐能力方面具有極其重要的意義。通過改進課程的教學與過程考核，培養學生理論與實踐相結合，強化數字電路的設計與分析能力，提高實踐能力。

1數電課設教學的意義及現狀分析

數電課設的教學中，共12學時，0.5學分，共6次課。很多學生重視理論的學習，而忽視實驗的重要性。數電課設是一門理論與實踐相結合的綜合應用課程，通過不同的實驗才能深入理解數字邏輯電路的設計與分析和VHDL語言程序控制流程。數電課設可以提高學生解決問題的能力，增加學生的就業機會。但是在數電課設的教學過程中，存在一些問題需要改進。

1.1編程和調試能力需提高

數電課設使用quartusII集成開發環境進行VHDL語言編程，教學過程中發現學生對VHDL語言的語法掌握不牢，程序流程圖設計有待提高，獨立編寫代碼比較困難。對quartusII軟件的使用不熟練，如創建元器件符號、繪制原理圖、功能仿真等。學生遇到問題，首先想到的是找老師解決，而不是獨立思考尋找解決辦法。

1.2自主設計和創新能力欠缺

對于數電課設的實驗內容，按照實驗指導書進行驗證，不需要從頭到尾獨立思考設計軟硬件。尤其是當學生面對大四相關的畢業設計課題時，往往不知道如何設計系統和搭建硬件電路等。實驗過程中有很多地方可以優化創新，學生完成基本教學任務而缺乏主動尋找創新點，優化系統設計，提高測量精度等。

［摘要］數字電子技術課程是本校電子工程類學生重要專業背景課，該文就對分課堂提高學生積極性和參與感、雨課堂平臺追蹤學生學習進展、將理論與工程實踐以及EDA技術聯系起來、培養學生綜合能力等幾個方面進行探討，以期能改善高校數字電子技術課程教學效果，以學生為中心，突出能力培養。

［關鍵詞］數字電子技術；對分課堂；雨課堂；EDA設計

一、數字電子技術課程傳統教學存在的問題

美國國家訓練實驗室研究表明，在學習金字塔中，采用不同的學習方式，學習者學習內容的平均留存率有較大差距。若通過聽講、閱讀、視聽或演示方式學到的內容，學習者會以較快的速度遺忘；而通過討論、實踐或親自教授給他人等主動學習方式，則可以給學習者留下更深刻的記憶及認識。在傳統的數字電子技術教學過程中，教師通常采用“滿堂灌”的方法進行授課，側重知識灌輸，學生填鴨式被動接納內容。當然如果老師思路清晰，語言感染力強，可能教學效果還會略好，但對于講課死板的教師，尤其是教學內容枯燥晦澀時，非常容易使學生產生疲勞和厭倦，教師失趣，學生失序，效率極低。實際的教學過程中，特別是當教學對象變為伴著電子產品長大的“00后”一代，傳統的教學方法存在著諸多問題，并不完全適應新時代學生的特點[1]。教師授課時更多講解關于數字電子技術概念、定理，附加大量課后習題訓練，忽略了數字電子技術和實際實踐的聯系，缺少師生、生生之間的交互，使得部分學生感覺數字電子技術課程單調乏味，動力不足，即便直到課程結束也依然完全不能實際應用于工程實踐，無法與現代數字系統相適應。因此，我們在數字電子技術教學的實踐中對教學方法進行改進，以培養能力為目標、以綜合實踐為主線，遵循“課前學習—課上精講—小組討論—實驗實踐”的教學模式；形成了全程考核、評價反饋和教學策略持續優化的方式方法，在學習討論中掌握知識、拓展思維，在自主實踐中形成能力、激發創新。

二、“對分課堂”在數字電子技術課程中的應用

結合傳統課堂與討論式課堂的各自優勢，將“對分課堂”（PAD）引入教學，其教學過程劃分為三個階段，即講授（Presentation）、內化吸收（Assimilation）和研討（Discussion）[2]，把一半課堂時間分配給教師講授，一半時間分配給學生進行討論，既能充分發揮教師價值，又能調動學生積極性，實現高質量課堂互動。在該教學模式下，教師要適度減少課堂教學內容，一方面需進行更精細的教學設計，梳理出課堂內外的教學內容，另外一方面也需要采取有效措施來確保學生能在課外發生有效學習行為，取得可衡量的學習成效。在數字電子技術課程實施過程中以夯實理論為基礎，強化學生現代電子技術應用能力為目標，以綜合實踐為主線，將數字電路與EDA技術中的部分內容進行融合，重構教學內容，優化教學手段，課程教學設計圍繞以下幾個方面進行：

（一）調整教學內容。數字電路已進入超大規模集成電路時代，而EDA技術作為代表電路設計的最新發展方向，從培養專業人才的根本目的出發，通過對傳統的數字電路課程進行教學改革，將它與現代EDA技術相融合，縮短基礎理論知識與現代數字電路設計之間的差距，學生通過隨堂實驗直觀感受，了解利用EDA技術對數字電路進行分析和設計的基本方法，為后續專業課的學習奠定了基礎，實現理論與實踐教學的有機結合，培養學生的科技信息能力和工程實踐能力。數字電子技術課程由傳統的數字電路引入FPGA平臺、硬件描述語言等EDA技術后，教學重點從“培養集成器件的外部特性及應用能力”調整為“器件應用能力＋數字邏輯設計思維＋語言建模能力”，學習要求提高了而學時數不變，則需要對本課程教學內容進行變革調整。基于此我們從兩方面進行改進，一是減少傳統數制碼制、邏輯函數化簡的學時，壓縮SSI集成電路的講解；簡要講解關于邏輯門電路的內容，在課程講述中穿插硬件描述語言的基本知識，講述硬件描述語言的語法結構以及并行語句、順序語句方面的知識，要求能用硬件描述語言設計簡單的組合、時序邏輯電路；二是在實驗課上講解相關軟件和硬件平臺的使用，學生完成基本實驗[3]，利用EDA軟件仿真功能，課下布置仿真實驗，完成理論性驗證，同時加大綜合設計實驗和自主研究實驗的比例。例如在數字電子技術移位寄存器學習過程中，對觸發器級聯構成移位寄存器的電路分析是非常重要的。其分析方法是，根據給定的邏輯電路圖，了解電路的輸入、輸出信號，了解觸發器的類型，根據觸發器特性方程得到觸發器狀態轉換，進而列出轉換表或畫出狀態圖和波形圖，即可確定電路的邏輯功能。若通過EDA軟件，使用硬件描述語（HDL）言對其進行仿真建模，既可以通過軟件邏輯綜合得到從HDL描述的數字邏輯電路模型中導出電路基本元件列表以及元件之間的連接關系，如圖1（a）所示；也可以通過調用ModelSim仿真得到相關信號時序圖，如圖1（b）所示。硬件描述語言用形式化方法描述數字電路和系統，利用這種語言，數字電路系統的設計可以從上層到下層，從抽象到具體，逐層描述自己的設計思想，用一系列分層次的模塊來表示極其復雜的數字系統，然后利用電子設計自動化EDA工具逐層進行仿真驗證，再把其中需要變為實際電路的模塊組合，經過自動綜合工具轉換到門級電路網表，提高電路設計的效率和可靠性。

1數字系統設計實驗教學中存在的問題

西安工業大學對EDA技術很早就開始重視，在電子、通信、生物醫學電子類專業開設了數字系統設計理論課程和與之對應的獨立設課實驗，理論課安排32課時，主要學習數字系統設計方法、可編程邏輯器件概述以及VHDL程序設計語言，獨立設課實驗安排24課時。實驗教學取得了較好效果，學生的動手實踐能力得到加強，對理論課程理解更為深刻。但是也暴露出一些問題，有些問題也是各個學校的共性問題，主要存在這幾個方面的問題：①大部分學生習慣于驗證性實驗的模式，喜歡拿來主義，只按照老師講解和講義的實驗內容完成實驗，沒有對其中的實驗現象和結果認真思考，在實驗報告中也不進行認真總結，應付差事，導致實驗教學效果大打折扣。②由于課時限制以及學生基礎等方面的原因，綜合設計性實驗完成效果不很理想。③由于有些專業沒有開設EDA相關課程和實驗，在畢業設計中用到可編程邏輯器件時，無法上手。④單一的實踐教學手段不能很好地調動學生學習的積極性。實驗原理內容步驟等固定模式，固定統一的實驗箱等限制了一部分優秀學生的發散思維和創新意識。學生開展數字系統設計相關實踐的渠道較少，高年級學生在做相關課題時，牽扯到可編程邏輯器件時，表現出能力不足，基礎不好的現象。

2改革思路與實踐

針對實驗教學中存在的問題，結合數字系統設計實驗教學要求，筆者對數字系統設計實驗教學環節進行了認真的思考與積極的探索實踐，總結了以下四點內容。

2.1EDA實驗與數字電路相結合

隨著現代電子設計自動化（EDA）技術的發展，大多數高校將EDA技術設置為一門必不可少的專業基礎課。由此產生了傳統的數字電路基礎教學與現代EDA課程在教學內容和實驗安排上的不同的看法。比如現代數字系統設計方法是否可以完全脫離數字電路課程的基礎？傳統的數字電路課程如何與現代最新的數字系統設計方法相結合？筆者認為數字電路課程的學習是為了更好地掌握現代EDA技術，而EDA實驗環節是數字電路學習過程中的提高與升華階段。西安工業大學以前的數電實驗24學時全部由傳統基礎數字芯片來完成，計劃在卓越班試點將基于FPGA/CPLD的EDA實驗引入數電實驗，調整為傳統數字電路器件12學時+可編程邏輯器件12學時。使學生初步具備硬件設計軟件化的理念。初步掌握使用EDA的設計工具完成簡單數字電路。條件成熟后先在電信學院所有專業引入基于FPGA/CPLD的EDA實驗，然后在全校工科電類相關專業開設。

2.2建立分層次相互銜接的實驗教學體系

［摘要］互聯網＋課堂的混合式教學方式正在成為課堂教學改革的新趨勢。《數字電子技術》課程利用雨課堂輔助平臺，設計了學習過程評價量表，在課堂教學中，采用形成性評價、過程性考核等手段，對學生進行前測、中測和后測。對教學數據實時采集、統計和分析。實驗結果表明，基于雨課堂的混合式教學方式，能夠大大增加師生教學互動，激發學生的學習興趣，有助于學生在課堂集中注意力，提高教學效果。

［關鍵詞］數字電子技術；混合式教學；雨課堂

一、引言

云課堂是近年來很受歡迎的采用云計算等現代化信息技術實現的利用網絡資源平臺，將課堂內容多形式呈現的教學方式［1］［2］。將課堂內容放到云服務器，可以將抽象知識轉化為視頻、動畫、圖片等多媒體形式在網絡上靈活展現，可以不用教師上課講授，學生通過網絡就能自行學習，可根據自身需求隨時調節教學節奏。但在云課堂發展過程中，人們漸漸發現其產生了一定的問題，云端資源的準備需要大量時間，對資源的多媒體形式要求也比較高，往往需要特殊的設備制作。報名參加云課程的人，課程完成率比較低。學生無法和教師直接互動，有問題不一定能得到及時解答。在云課堂發展走到瓶頸之時，出現了雨課堂，它是一種將云課堂和傳統課堂結合的混合式教學方式。雨課堂利用云存儲、云計算、微信客戶端和PPT插件，打破了傳統教學在時間和空間上的界限，也打破了傳統云課堂缺少師生直接互動的弊端［4］，實現了學生通過智能手機在課堂進行互動式答題，云平臺立即返回答題情況，并可通過智能手機隨時隨地在線學習，查看課件，改變娛樂設備為學習工具［5］。基于雨課堂的各種優勢，本著教育教學與信息深度融合的理念，以雨課堂為平臺，對《數字電子技術》課程進行混合式教學研究。

二、基于雨課堂的混合式教學設計模式

《數字電子技術》課程是電子信息類一門專業基礎課。通過課程學習，讓學生掌握數字電路分析和設計的基本方法，了解常用的數字電路芯片使用方法。教學內容有很強的邏輯性，在理論知識學習的同時，實驗教學也是這門課重要組成部分，通過驗證性實驗，觀察和分析實驗現象，測量相關電路參數，來加深對數字電路知識的理解［6］。完成設計性實驗需學生將理論聯系實際，用芯片實現數字電路。為了實現本課程混合式教學方式，使用雨課堂教學輔助平臺，實現從課前、課中到課后全過程輔助教學。在每門課上課前，采用安裝了雨課堂的PPT插件，制作互動式課堂題目，通過上傳手機課件布置課件預習［7］。上課時，學生通過微信掃碼進入課堂，可實時獲得考勤數據，在很短的1－2分鐘內完成上百人的考勤點名，大大節約了寶貴的課堂時間。在上課過程中，展示互動型題目，檢查學生對知識的學習情況［8］。在答題時間到達時，立刻反饋答題情況［9］，讓教師在教學過程中隨時可以了解學生掌握知識的情況。結束課堂教學后，雨課堂立刻生成本次課題情況統計數據（如圖7所示）。詳細列表可作為過程化考核依據。

三、基于雨課堂的混合教學方式效果分析