数字电路教学中的实践创新能力培养

数字电路课程是电类专业的一门重要的专业基础课程，其教学目标在于使学生掌握数字集成电路的应用，具有分析、设计电路并利用其解决实际问题的能力。
数字电路课程理论性较强的特点导致学生在学习过程中困惑于这门技术是如何应用于实际生活的；同时由于其技术更新较快，就适合用于培养学生实践创新能力，提高学生综合素质。在传统教学中，培养学生的实践能力主要依靠数字电路实验教学环节，但是效果往往不够理想。培养学生的实践创新能力必须从课程的理论教学部分抓起，才会起到事半功倍的效果。如今，数字电路理论教学大都存在着如下的问题。首先，教学内容缺乏实践性。数字电路相关教材仍然以基础知识为主，这就使理论教学的重心在于基本逻辑关系、基本器件工作原理的讲解，而与实际相关的内容主要依靠教师的扩展补充，这对教师的实践能力要求较高。数字电路作为专业基础课，其任课教师大都为基础教研室教师，这类教师为教学型教师，实践的更新换代能力是其短板，技术更新慢难免导致扩展面不足。其次，传统授课方式课堂效果差。数字电路课以板书附加多媒体的教学形式为主，且一般授课班型较大，课堂的教学过程以教师讲授为主，师生间互动形式及互动范围有限，因而课堂单调乏味，教学效果不佳。再次，传统的考核方式是平时考核加期末闭卷考试，其中以闭卷考试为主。教学工作者虽然已经从多方面进行教学改革，并取得了一些成果，但在调动学生学习积极性、提高学生实践能力等方面还有很多改进的地方，结合自己多年的教学实践笔者对此做了如下探讨。
一、加强教师队伍建设
俗话说，“打铁先要自身硬”，若要提高学生的实践创新能力，首要任务是提高任课教师的专业素质及综合能力。
（一）更新思想观念，实现角色转变
改变传统的教师“教”与学生“学”的固有角色定位，淡化教师的“教”，强化学生的“学”，让学生在课堂中发挥主体地位。教师进行方向性指导，同时尊重学生与众不同的想法，对其创新之处给予积极的回应。教师要明白自己不是学生唯一的知识来源，只是学习过程的组织者和引导者。教育的过程，也是教师反思学习的过程，因此教育的过程力争在师生之间建立一种平等、和谐、民主的相互学习氛围。这种转变对教师的业务能力和敬业精神提出了更高的要求，教师必须在知识面、理论水平、认识水平、洞察问题的能力等方面具备较高的修养。因此教师需要定期对课堂内容进行梳理，将教学内容去理论化、具体化、实践化；同时充分利用资源共享这一有利条件，与业内技术前沿接轨，建立本领域的知识库平台。
（二）提高业务能力，打造教学团队
高水平的教师队伍是良好教学效果的有力保障，必须重视教师队伍的培养与交流。首先，加强教师的进修学习和院校间的合作交流，让教师开阔视野，吸取有益的教学经验，不断改进教学。其次，加强校内各部门、院系间的沟通与交流，定期组织教学研讨，分享教学心得，定期组织教学大练兵，发挥业务骨干的示范带头作用。
再次，加大对基础教学团队的政策扶持力度，减轻教学负担，鼓励提升学历，支持基础课教师参加各类比赛、竞赛，通过指导各类实践活动，提高教师的实践能力，加快技术更新速度。最后，注意强化基础课教师的科研意识，提高科研能力。把握学科前沿动态，参加国内外学术会议，关注相关领域最新发表的期刊论文，浏览学科前沿动态网站等，积极参与团队合作、交流，营造良好的学术氛围，最终建设一支业务素质过硬、教学热情高涨的教学团队。
二、更新教学内容
在教学过程中，改变重理论、轻实践的理论课堂教学思路。首先，为了解决学时少、教学内容多的矛盾，需要精简教学内容。在注意知识点连续性的前提下，可适当减少课程基本定理、定律及公式的理论推导、计算等内容的讲解，让学生知道有这些定理、定律存在并理解它们的应用即可。其次，为解决教学过程的形式化与教学效果不尽如人意的矛盾，给予教师较大的发挥空间，从教材、教学大纲等固有的学时分配等框架中脱离出来，在保证教学知识点的前提下，允许教师灵活地安排教学内容及教学过程。再次，为了解决教材更新慢与技术更新快之间的矛盾，教师应将基本理论部分节省出来的时间用于进行相关知识点的实践拓展、实例展示及讲解。例如在讲授逻辑关系内容时，可以演示密码锁的工作原理；单稳态电路部分，可以演示楼道声控灯的结构、原理；多谐振荡电路部分，可以演示救护车高低音警报电路和防盗报警电路的结构、原理，等等。这样的理论教学内容，必然能更好地吸引学生的学习兴趣，在课堂上实现理论向实际的过渡，而不是将这个任务全部交给实验环节去完成。
三、改进教学方式
EDA技术是指设计者利用计算机及相关软件完成电子系统的设计任务，是现代电子系统设计、制造不可缺少的技术。EDA技术的出现是电子设计领域的一场革命，是现代电子系统设计的发展趋势。借助于EDA技术，可以使数字电路的课程教学更丰富多彩，同时有利于将项目教学法引入课堂教学，可以较大幅度地改变固有的教学模式。
（一）转变教学角色
利用EDA软件可以生动地演示实际电路的功能及效果，进而提高学生的学习兴趣。更为重要的是，课堂上EDA软件的应用，可以丰富师生间的互动方式，提高教学角色转变的效率。例如，对于翻转课堂这一角色互换环节，传统的互动内容，学生主要是对基本的理论进行讲解，最多是通过查阅资料来丰富讲解的内容，基本的板书及多媒体的讲解方法，可以在一定程度上锻炼学生的自学能力，但这种互动方法占用课堂时间较多，学生参与度较低。引入EDA技术后，可以将互动的内容进行提升，将相对乏味的基本理论全部留给教师来讲解，要求学生根据知识点查找资料，确定与此知识点相关的实际应用电路，设计电路结构，搭建仿真电路，在课堂上进行演示并讲解。这个过程提高了学生理论联系实践的能力，每名学生实际占用的课堂时间明显缩短，从而有利于提高学生的参与程度，发挥学生的主观能动性，提高课堂效果。
（二）实施项目教学法
借助于EDA技术，可以使数字电路课程的“功能扩展性项目教学”得以有效开展。在课程初期，教师就可以布置与实际生活相关的电路设计任务，规定基本的电路功能，由学生自主查阅资料，教师辅助确定最终实施方案。随着课程实施方案逐步推行，教师对学生的设计内容进行指导，扩展所设计任务的功能，并引导学生创新电路的功能。当本门课程结课时，学生的设计任务也基本完成。这样带着目的去听课，学生面对的不再是单调的芯片功能和结构的介绍，而是一个可以解决他所面对的实际问题的器件。同时，完成一个具体的实际电路的设计过程，学生的实践能力也必然提高。以“四路竞赛抢答器”为例，当讲授完组合电路的设计内容后，教师要求学生设计一个基本的抢答装置，学生会发现此时的电路可以实现抢答的功能，但是无法实现信号保持的能力；当讲授完触发器的内容后，学生会发现扩展设计的抢答装置具有信号保持的能力，复位等功能的实现也更加简便；当讲授完计数器的内容后，学生会发现在原有电路的基础上，抢答器可以具有计时抢答的功能，配合数码显示器件，就可以实现倒计时显示的效果；当讲授完振荡电路内容后，学生发现此时电路工作的时钟信号也是由自己设计的电路来实现，不必使用信号发生器这样的器件。至此，一个基本完整的抢答器设计已经完成，这样通过逐步扩展抢答器的功能，不仅会加深学生对各个单元器件的理解，同时使学生了解并掌握了设计的过程，提高了学生的实践创新能力。
（三）灵活应用教学方法
在教学过程中，为达到最理想的讲授效果，需要根据教学内容的特点，从传统的教学方法如提问式教学、启发式教学、研讨式教学、对比式教学等中，选择能发挥学生主观能动性及创造性的教学方法，引导其将理论知识与实践结合起来。例如讲解二值逻辑的概念问题时，可以采取提问式教学，让学生举出生活当中的二值实例；在区分组合电路与时序电路的特点时，对比式教学更能对二者进行区分，找出它们的共性与个性，有利于区分不同的知识点；在介绍电路的设计方法时，研讨式教学能调动学生的热情，让学生讨论各自方案的特点，最后再由教师进行总结，这样的过程，学生必然理解得更深刻。总之，必须对教学过程进行科学的设计，将各种方法灵活应用于课堂，才会取得良好的教学效果。
四、拓展课外教学活动
由于课堂上的教学时间十分有限，远远无法满足对学生实践能力的培养需求，为了进一步提升学生的实践能力，必须加强实际演练，因此课外教学活动必不可少。
（一）指导学生自制实验平台
由于数字电路的特点，其实践环节并不完全依赖于大型的测试、测量仪器，只需要购置一些电子器件、导线、电源、指示灯及常用阻值的电阻等即可，所以教师应鼓励学生自己动手制作实验设备，自己完成数字电路逻辑平台制作。这个实验平台的制作不仅可以锻炼学生动手解决问题的能力，培养学生的实践创新能力，而且可以为学生提供便捷的电路设计及功能验证的调试，必然会提高学生的学习兴趣。
（二）组织电子设计竞赛
在整个数字电路的教学过程中，教师可以组织两次小规模的电子设计比赛。学生可以分组进行，相互之间进行研究、讨论，自由发挥与创造。教师负责进行理论内容的指导，学生可以借助于自己制作的实验平台进行逻辑功能验证，或者借助于EDA技术进行功能验证。在规定的时间内，完成设计任务的学生，教师根据设计方案、总结报告、实物演示等进行成绩的评定，优秀的给予一定的奖励。这样的过程具有一定的挑战性且非常有趣，学生的学习热情高，其实践动手能力也会明显提高。
（三）打造全天候课堂
每周一至两次的课堂教学，无法满足师生之间的沟通需求。缺少了教师的监管，学生难免会产生惰性，如果不能及时对学过的知识点进行巩固复习，不能对新知识点进行提前预习，就会导致问题越堆积越多，久而久之学生对课程就会出现反感的情绪。在这个现代移动互联的时代，利于多种渠道建立师生间的双向沟通交流平台，比如QQ群、微信群、Email、论坛、专业博客、微课、视频、共享资料等。对于性格外向的学生，适合采用群聊的方式进行沟通，而对于性格内向的学生，则更适合采用私信等方式进行交流。总之，采用学生更愿意接受的方式，加强师生之间、学生之间的课下互动，便于学生间、师生间开展有效的研讨，也便于教师进行指导、答疑、督促。这种全天候课堂的打造，必将使课程的教学效果更上一层楼。
五、改进考核方式
传统的考核方式是平时成绩加期末闭卷考试，而平时成绩由出勤、作业、测试等内容构成，学生之间的区分度不大，最终区分学生成绩的是期末考试的分数。为了合理地考核学生的实践能力，必须改变“一张卷子定生死”的考核模式。一方面，减小闭卷考试的比重并调整试题类型，试题类型应为常规的填空、选择、判断及计算等，这类题型可以对学生的基础知识掌握程度进行相对比较准确的衡量。另一方面，对学生实践能力的考核重点在于平时的教学过程及实验环节。为了刺激、鼓励学生参与师生互动及项目作业的参与度，需要加大平时考核的比重，平时考核的内容也应添加上实例讲解、项目作业、电子竞赛等项目，并采取答辩的形式进行成绩的评定。实验环节主要考查学生的动手能力，根据学生的电路设计能力以及电路故障处理、调试能力等多方面进行综合的评定。
实践能力的培养不是一朝一夕就能完成，也不是单纯一门课程就能达到令人满意的效果，这需要各门课程的有效配合。对于教学过程中出现的各类问题、现象，必须进行深入的思考，灵活应对，并整理出行之有效的教学经验，以实现师生共同成长。