数电“理实一体化”课堂教学模式改革

培养应用型本科人才在我国是一个相对新的概念，如何在人才培养方案、课程设置、教学内容、教学方法、教学模式及教学评价等环节实现真正的“应用型”特色，是一个需要进行长期研究，不断改进的过程。特别是对于工程类本科专业，如何实现以“能力”培养为核心，达到“华盛顿协议”工程教育认证要求，培养高质量的工程技术人才，更是地方性本科院校培养应用型人才所面临的一项重要和迫切的任务。
近年来，在应用型本科院校课堂教学中，采用“理实一体化”教学模式成为大家公认的一种好的教学模式，关于“理实一体化”课堂教学改革与研究，已成为教学改革研究的热点问题。
“理实一体化”课堂教学模式，即将理论教学课堂与实验教学课堂相融合，实现理论教学与实践教学在知识内容、实施时间和空间上紧密结合，使教、学、做相互渗透，相互促进，达到理论知识掌握与实践动手能力同步提高。
我们从2013年开始，在电子信息工程专业数字电子技术课程课堂教学中采用“理实一体化”教学模式，达到了课堂讲授理实一体化，课堂讨论理实一体化，课后作业理实一体化和课程考核理实一体化。经过几年的不断改进与完善，教学方案设计基本成熟，达到了满意的教学效果，受到了学生的普遍欢迎。
1 理实一体化”教学条件建设
实现“理实一体化”教学首先对教学场地提出了更高的要求，即教学环境既要满足理论课讲授需求，又要满足实验课操作需求。对于以编程、仿真为主的课程，在学生人手拥有笔记本电脑的情况下，只要场地能够提供电源，就能满足要求。同样，对于单片机课程，在学生人手拥有笔记本电脑和单片机开发板情况下，能够提供电源的普通教室也能满足要求。但对于需要其他实验设备的课程，目前理实一体化教学还只能在实验室授课。
在实验室授课存在以下问题：(1)相同或相近课程在同一学期开课班级较多时，易出现场地冲突难以安排；(2)学生只在上课时间内有机会进行动手操作训练。因此，目前大多采取的是项目驱动式的部分学时的理实一体化教学模式。
数字电子技术课程实验具有两个显著特点：其一是信号结构形式比较简单，只有高和低两个电平，在频率不太高的情况下，可以用LED替代示波器或其它测量设备对信号进行逻辑测量；其二是电路工作电压低(5V)、功耗小，在电路规模不太大情况下，可以使用干电池供电。基于上述两个特点，完成数字电子技术课程大部分实验可以不需要示波器、直流稳压电源等较大型仪器设备。
为了能够在普通教室实施“理实一体化”课堂教学模式，使理论教学课堂具备实践操作条件，针对数字电子技术课程实验的特点，我们专门设计制作了一款“便携式数电实验箱”，实验箱内部实验区如图1所示。该实验箱主要由两块面包板、一组共阳指示二极管、一组共阴指示二极管、一组置数开关以及时钟产生电路和单脉冲产生电路等组成。内部装有干电池，外形尺寸只有255mm×210mm×85mm，比普通教科书略大一点，质量1.6kg。
便携式数电实验箱体积小，重量轻，无需外接电源，携带方便，并配备了实验教学所需的全部电路元件、导线和基本操作工具，可为学生人手配备一台。在整个课程学习过程中，实验箱交由学生自行保管，满足学生随时随地完成实验操作。图2为利用便携式数电实验箱课堂教学的现场照片。
2 理实一体化”教学过程实施
2.1理实一体化”课堂教学
在学生拥有便携式实验箱的条件下，我们已将数字电子技术课程课内学时的85%采用“理实一体化”授课模式。具体做法有：
(1)先讲后做，用实验验证理论。对于相对容易讲述的基础理论知识或综合性较强的应用设计内容，一般采用先讲理论，后实验验证。比如：基本门电路逻辑功能、逻辑函数化简、组合逻辑电路设计、时序逻辑电路设计和中规模集成器件应用设计等。通过实验使理论知识变得具体化、直观化和有趣味，使学生对理论知识信任度提高，理解和记忆加深，学习理论知识的兴趣和信心增强。
(2)先做后讲，通过实验归纳理论。对于内部结构较复杂的中规模组合逻辑器件，一开始就直接去分析它的逻辑功能，会使学生听起来枯燥、乏味、不知所云。可采用先做功能测试性实验，记录实验结果，然后归纳总结芯片逻辑功能与应用设计方法。即先告诉学生芯片的电源引脚、数据输入引脚、数据输出引脚和逻辑控制引脚等，然后组织学生搭接功能测试实验电路。教师和学生一起，边实验、边观察、边记录，通过启发、讨论和归纳总结得到器件的逻辑功能。最后再通过理论分析，完成物理解释。
(3)边讲边做，用实验帮助理论表述。对于那些逻辑状态较多的、工作方式相对抽象的用文字表述学生一下子理解有困难的中规模逻辑器件，如大多数时序器件、七段显示译码器等，采用边讲边做的教学方法，教学效果尤其明显。如同步触发器与异步触发器的区别、触发器的电平触发与边沿触发的区别、主从触发器的多次翻转现象、异步和同步清零或置数的差别；编码器输入的优先级；七段显示译码器的灭零控制端功能等。通过现场实验配合，在不同的输入控制状态下，讲解器件的工作方式，让学生通过实际观察到的现象，理解器件的功能，使抽象变具体。这样学生不但容易理解，而且容易记牢，容易掌握。
如讲授8线/3线优先编码器74HC148时，结合实验边讲边做，学生通过实验观察比较，特别容易理解“优先”的含义；再比如讲授移位寄存器74HC194时，结合实验边讲边做，分步讲解并行输入、右移串行输入、左移串行输入、循环右移、循环左移等工作方式，学生通过实验观察比较，更容易直观理解其各种逻辑功能。
课堂实验前，教师将实验电路连接图投影在屏幕上，供学生搭接电路使用。实验过程中，学生根据教师指令改变电路输入信号或控制信号，并观察记录电路的输出信号。最后在教师引导与启发下，对电路的功能进行归纳总结。必要时，还可对所得结果做进一步实验验证。
2.2理实一体化”课后作业
课后作业形式实现了多样化。既有传统的书面作业，又有验证性、设计性、综合性和研究性实验作业。同时还可以为下次课堂操作实验提前做准备，并可以通过QQ或微信等社交平台上传图片、视频等形式进行实验作业检查和验收。
2.3理实一体化”小组协作学习
将学生分成若干协作学习小组，他们可以在课堂上相互帮助，能力强的同学发挥“小老师”作用，帮助小组内同学完成操作实验检查排故，也可以在课外讨论学习。我们按照逻辑代数、组合逻辑电路、时序逻辑电路等分单元适当安排讨论课，预先提出综合性、探究性讨论题，由小组集体在课外完成解决方案、搭接电路和PPT制作，在课内协同完成演讲、演示与课堂交流。
2.4理实一体化”课程考核
减少期末终极性考核成绩比例，扩大过程性考核和能力考核成绩比例。将学生每次课堂操作性实验完成情况、课外各类作业完成情况及讨论课任务完成与表现进行逐次登记，纳入课程学习成绩考核。为了减少课堂登记占用时间，我们采取登记课堂操作实验失败者的方法，鼓励其在课间或课后重新检查排故，实验成功后再次提交修改登记。
2.5不断改进教学设计
每轮课程教学结束前，以作业形式让每位同学写一篇对课程学习的心得体会，并提出对课程教学过程的改进建议。教师根据自身的授课体会并结合学生的建议，不断改进课程教学的总体设计，以及每次课的教学内容、实验内容、教学过程和教学组织形式。
3 理实一体化”教学效果评价
经过几轮教学实践，结果表明，“理实一体化”课堂教学模式具有以下优点：
(1)理论讲授与实践操作紧密结合，课堂教学形式多样，可以先讲后做、先做后讲或边做边讲，学中做，做中学。该模式提高了课堂教学活动的趣味性，增强了课堂教学对学生的吸引力，强化了理论对实践的指导作用，同时提高了学生对理论的理解和应用理论知识解决实际问题的能力。
(2)充分运用实践教学手段，使抽象理论表述变得具体、直观、易理解，真实可信，拉近了理论与应用的距离。原来学生学完课程都不知道学了有什么用，现在学生在学习的当时就知道所学知识能干什么，大大激发了学生学习兴趣。
(3)减少了集中性实验课，将实践教学碎片化，理论讲授与实验操作相互穿插，实践操作常态化。逐渐改变学生重理论轻实践的学习思维与习惯，培养良好的学习工程专业的方法。
(4)从简到烦，从易到难，循序渐进，逐步提高学生的实践动手能力。从现场完成一个门电路几条连接线，到应用中规模集成器件或多个集成芯片完成电路的几十条，甚至上百条连接线，实验内容从简到难，实验规模从小到大。学生在不知不觉中逐步提高实践动手能力，特别有利于激发动手能力差的同学的学习信心。
(5)加大了学生在课堂教学过程中的参与度，加大了课堂教学过程中师生的互动与交流，学生在课堂上忙起来了，充分体现了课堂教学过程中学生的中心地位。完全没有了玩手机、睡觉或其它分神情况，课堂教学氛围明显改善。
(6)能够对课堂教学效果即时检查。学生动手实验实际上起到了对学生学习效果的现场测验的作用，既是对学生掌握理论知识的测验，也是对应用理论解决实际问题能力的测验，同时也是对教师教学方法的测验。其有利于及时发现教学问题，不断改进教学方法。
该教学改革课题为2013年浙江省课堂教学模式改革项目，连续两年由本校组织中期检查和结题验收，均被评为优秀。
4 结语
基于便携式实验箱对数字电子技术课程实施“理实一体化”课堂教学模式改革，实现了课堂讲授、课堂讨论、课后作业和课程考核全方位“理实一体化”。达到了“以学生为主体，教师为主导”的课堂组织要求。课堂教学气氛活跃，学生参与度高，学习兴趣和积极性浓厚。经过5轮教学实践表明，学生不但对理论知识学习效果明显改善，而且实践动手能力明显增强。