基于STEAM理念的“数字电路” 课程教学探索

贺付亮 王世元 樊利

摘    要：在新工科建设背景下，为了解决“数字电路”课程传统教学模式不适应于“卓越工程师”培养要求的矛盾，文章提出在课程教学中融入STEAM教育理念，分别从教学方式、教学内容、实验实践和校企协同教育等方面开展课程教学改革的研究与探索，并阐述了基于STEAM教育理念的课程教学设计案例，希望以此为契机，开拓出符合新时代电子信息类专业课程教学的新模式。

关键词：STEAM;数字电路;教学改革

中图分类号：G642  文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2021）05-0019-05

作为高等院校电子信息类专业的一门必修学科基础课程，“数字电路”在电子工程师的培养体系中起着

根基作用。该课程的教学目标，一方面是在整个专业培养体系中发挥基础性作用，帮助学生建立针对复杂数字电子系统的工程实践能力，另一方面则是对学生的职业生涯进行启蒙，引导学生进入电子芯片行业。近年来，以新基建、新产业和新技术为特征的新经济发展对传统电子信息工程专业人才的培养提出了巨大挑战。为了主动应对新一轮科技革命和产业变革，主动布局未来工程人才的培养，教育部、工业和信息化部联合中国工程院在2018年9月发布了《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》（教高〔2018〕3号），提出的“卓越工程师”的培养方式有着鲜明的特点：更加偏重于面向工业发展需求的实践及创新思考能力的训练;需要引入工程行业标准来创新工科教学模式;大力支持企业深层次加入到“新工科”人才的培养中，提高行业参与度。在此背景下，传统数字电路课程的教学模式劣势凸显，无论是其教学理念还是教学方式都存在着很多与“卓越工程师”培养理念不符合的地方，亟待改革。

基于此，本文提出将STEAM教育理念融入到当前的“数字电路”课程教学中，进一步深化该课程的教学改革。基于STEAM理念的“数字电路”课程教学强调在知识体系框架下开展工程任务式情境学习，倡导主动式、探究式的学习方式，从而解决传统教学方式不适应于培养自主创新能力强、开拓实践水平高的“卓越电子工程师”的问题。

一、教学现状

当前，“数字电路”课程在国内各大高等院校的电

子信息类专业均有开设，“爱课程（中国大学MOOC）”

“学堂在线”等在线开放课程平台上也推出了国防科技大学的“数字电子技术基础”等精品课程。这些课程都在不同方面体现了各个高校在“新工科”建设背景下，在“数字电路”课程的教学改革上取得的研究成果。南京信息工程大学电子与信息工程学院以工程教育专业认证为标准，以MOOC和雨课堂完善“数字电路”理论课程的教学，以虚拟仿真实验扩展实验教学[1]。浙江工业大学信息工程学院根据金字塔理论和协同论，提出了“数字电路”多课堂协同的教学模式[2-3]。国防科技大学计算机学院在“数字电路”课程实施中推出了基于真实工程项目设计的案例式教学方法，并在學生工程能力培养上取得了显著成效[4]。沈阳航空航天大学电子信息工程学院将成果向导教育（Outcome-based education，

OBE）融入到数字电路课程中，以产出为导向，对课程教学进行了改革[5]。黑龙江大学电子信息工程学院在课程教学上采用了“小规模限制性在线课程（Small Private Online Course，SPOC）”教

学模式，提高了学生的课堂参与度[6]。南京邮电大学、宿迁学院等高校则展开了思政教育融入数字电路课堂的探索[7-8]。

从上述教学研究成果中可以看到，传统的“数字电路”课程教学模式存在以下问题：重知识传授、单向灌输，学生缺乏探索能力和创新思维;注重知识体系，忽视工程实践的问题导向，学生解决工程问题的能力差;工业企业、行业协会参与人才培养的机会少。这些相关问题需要在当前的教学改革研究中，通过理念和方法上的创新来加以解决。

二、STEAM教育理念在课程实施中的作用

STEAM教育理念起源于20世纪80年代，是由美国政府提出的一项教育改革计划，旨在提高国家竞争力，为国家培养多元性复合型工程技术人才，后来逐渐在世界各国兴起[9-10]。STEAM教育是一种超越传统的教育模式，采用跨学科的方法，以发现和解决现实问题为核心内容，有机融合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、人文精神（Arts）和数学（Mathematics）等多学科知识[11-13]，以项目驱动为形式，强调通过构建真实任务情景，让学生在实践中习得理论知识、动手能力、理性思维、创新意识以及团队合作等能力。教师成为任务项目的设计者、活动的组织者和学习的引导者，其角色走向多元化，从而使得学生的创新创造能力和独立实践能力得到极大程度的提升。这一理念十分契合当前“新工科”背景下“卓越工程师”培养的需求。以STEAM教育理念为指导，以“数字电路”课程为实体依托，使之相互碰撞，可形成如图1所示的教学模式，以此模式或可解决当前“数字电路”课程教学中存在的一系列问题，从而达到培养当前行业需要的“卓越电子工程师”的初衷。

（一）以学生为中心、以教师为多元化角色的教学方式

STEAM教育抛弃了传统课堂中教师占主体、教师是课堂的领导者和灌输者的观念，而强调以学生为中心、以学生为课堂的主角，教师只是导演或者编剧的角色。整个教学过程是任务设计、活动组织和引导参与的融合。笔者将这一理念融入到“数字电路”的教学实施中，创新教学方式，培养学生主动式、探究式的学习能力，从而解决传统教学方式不适应“卓越工程师”培养要求的问题。

笔者对照“数字电路”的课程大纲，将教学内容按其特点重新规划，数字逻辑理论知识偏重理论分析和计算，数字逻辑器件及系统设计偏重工程实践应用，因此探索采用教师授课结合与自主研讨融合的“半翻转

课堂”教学形式来实现课程的教学。数字逻辑理论知识的教学采用引导授课的教学模式：课前，教师发布学习内容，学生通过小组自学完成前导作业，并提出相关问题;课堂内，教师以提出案例、引导和归纳与学生互动，帮助学生理清知识结构脉络，帮助学生解决自学中存在的问题;课后，教师提出相关知识研究性课题，鼓励学生探究更深入的课程前沿问题。数字逻辑器件及系统设计的教学采用以项目实践的“翻转课堂”教学模

式：课前，教师制定开放性的实践题目，提出相关设计需求和行业标准，学生以小组为单位查阅资料，自学软件编程技术和硬件系统设计方法，确定“数字电路”系统的设计方案;课堂内，以学生自主实验、实践为教学模式，教师辅助答疑，师生共同探究系统设计中出现的问题;课后，教师对项目进行验收评价，测试反馈，师生互动总结。

（二）设计任务式情境来开展学习活动，以跨学科角度解读课程内容

STEAM教育的初衷就是为了让学生能够体验生产生活中的真实情景，在任务式的工程问题中开展研究，这样才能带来“最理想、最有品质”的课堂。以工程问题导向式的模式重新构建“数字电路”的教学内容，将课程内容有效融入生活情境，例如“冰箱的恒温控制是如何实现的”“为什么手机会从模拟信号传输模式演进到数字信号传输模式”等等。将学生在生活中常遇到的工程问题直接搬上课堂，综合数学、科学、人文等多学科角度进行解读，以生动而有效的方式解析课程知识点，从而解决传统教学中课程内容生硬、乏味，与现实应用严重脱节的问题。

通过对“数字电路”教学内容的深入分析，以任务式情境对原课程内容进行重构，融入“现代数字电路系统需求分析、功能设计与工程应用”的背景之中，使教学内容更加贴近现实需要，着重于“卓越电子工程师”综合能力的培养，激发学生的专业热情和职业兴趣。

引入工程问题导向式理念，重构课程教学内容。采用大量行业工程实例，以生活化的方式引入课堂，使授课内容更加有利于激发学生学习热情，提高学生学习兴趣。让学生在问题中思考，在讨论中学习，在应用中理解数字电路知识，从而建立起适应于现代工程教育理念的课程知识体系，切实做到由“以教为中心”向“以学为中心”的转变。将传统的课程作业转变为实现创新思维培养、工程能力训练的实作任务。例如，将“数字电路”课程中所涉及的投票表决器这一知识点，引入到开展社会公共议题的民主调研时，需要在“投票与数据统计系统”这一现实需求中，来开展任务式情景教学。学校应提供给学生针对研习任务的实践环境和实验条件，以此培养学生的工程实践素质、合作协同精神和知识迁移能力。在考核中，工程实践性、创新性实作任务的成绩占平时成绩的比重不低于60%。

（三）构建项目制实验课题，建立创新、协作和效能的过程性评价机制

STEAM教育以基于项目的学习、基于问题的学习为主要教学方式，旨在让学习者从项目的探索体验中发展解决问题、设计创新、沟通协作等能力。“数字电路”是带有工程实践性质的课程，需要学生动手操作才能掌握系统分析和设计的基本技能。各大高等院校都通过开设配套实验课程，以强化学生的“数字电路”工程实践能力。笔者从STEAM项目与问题体验式学习出发，重新构建课程中的实验项目，以开放性、设计性实验课题替代传统的验证性实验课题，增加与工程应用联系密切的设计性、综合性实验课题，以创新、协作、效能以及任务完成度等方面的过程性评价代替传统的单一实验报告、实验数据的成绩判定，从而解决在传统实验教学中，缺乏工程训练真实性，创新素质、团队能力等综合水平培养不足的问题。

加大灵活性、开放性高的如“口袋实验室”“虚拟实验室”的建设，构建以“设计—实现”为特色的开放性、体验式数字电路实验项目，将行业规范与标准、职业素养等内容融入到实验教学中，让实验过程更加贴近工程实际。支持和鼓励学生通过实践性较强的创新创业项目开发、专业竞赛参与等研学活动，获得学科知识和工程能力。实验成绩的评定采用开放的过程式评价，不设标准答案，从创新、协作等维度评定成绩，鼓励学生提出新想法、新方案和新结论。所制定的项目制实验成绩占总成绩比重不低于60%。

（四）产学合作、协同育人，以思政教育方式启迪

电子工程师的初心

STEAM教育强调创设真实情境，实现学生的体验式学习。对于高等院校的工科教育来说，让行业内知名企业参与教学过程，开展产学合作、协同育人，讓教学实现从工程应用中来，到工程应用中去，无疑是升华STEAM理念，培养卓越电子工程师的最好途径。如此一来，也有效解决了电子企业深度参与学生工程教育的问题。

“数字电路”课程实现的产学合作、协同育人的途径，以申请“教育部产学合作协同育人项目”为支撑，紧密联系数字电子技术、可编程逻辑器件等行业领域的龙头企业，开展基于“数字电路”课程的教学改革、师资培训、新工科建设和创新创业等项目的申报与实施。以教改研究为契机，探索校企联合、多方协同育人的模式，构建实施符合“新工科”发展指南的一系列产学合作项目。注重学生系统能力培养，充分发挥学生的天赋特长，探索新的实习模式，建设产学合作的面向“新工科”的工程实践教育体系与实践平台。 支持学生在设计实践中选用最新数字电子技术、EDA技术和厂商研发的新型产品，参与行业关注度高的各类创新创业竞赛，争取企业资助与支持。探索推进以“数字电路”为核心，延伸出的创新创业、创客空间实践等活动，实现课程应用和工程实践能力的深度拓展，开展产学合作的课程建设。

STEAM教育同时强调以人文精神（Arts）指引科学、技术、工程和数学教育，这也契合当前思政教育融入专业人才培养之中的思想。让企业与高校共同参与“卓越工程师”的培养，同时也让学生提前接触社会行业领域，以亲身体验的方式形成自我的社会价值观。在“数字电路”课程中实现产学合作、协同育人，可形成“人文精神（Arts）+数字电路技术工程实践”的模式，以思政教育将学生的学习过程有机结合于我国在数字芯片设计与制造等方面的重大战略需求、国外对我国在先进数字芯片技术上的封锁和“卡脖子关键技术”问题等一系列时代背景中。在校企协同教学中，除了解决学生“学什么”以外，更加重视解决学生“为什么学”“学了能做什么”等问题，从而达到启迪电子工程师初心的目的。

三、融入STEAM教育理念的教学设计样例

从STEAM教育理念出发，按照以学生为中心、任务式情境的学习形式，融入产学协同育人、思政教育等思想，西南大学电子信息工程学院“数字电路”课程组从教学大纲、教学内容到文案设计等方面对该课程进行了重新建构。本文以课程中“施密特触发器的基本原理与应用”一节的教学设计作为样例，展示课程组重新构建的、融入STEAM教育理念的“数字电路”课程实施方法。

（一）课程分析

“施密特触发器的基本原理与应用”一节的教学目标是：使学生掌握施密特触发器的基本原理与应用。它是在学生掌握了各类触发器的基本电路结构和工作原理之后，在了解了脉冲信号的分类以及主要参数的基础上，进一步掌握常用的、典型的、应用于脉冲信号产生与整形的数字电路器件——施密特触发器。课程内容为后续其他典型的脉冲产生与整形电路（单稳态电

路、多谐振荡电路和555时基电路）的学习提供了基本模式和理论基础。因此，本节课有承前启后的作用，是“数字电路”课程的重要内容之一。

该节课的教学重点是让学生掌握施密特触发器电路的分析、设计与应用。其教学难点是让学生从数字逻辑关系的数学（Mathematics）角度，从电路基本原理的技术（Technology）角度，深度理解由门电路构成的施密特触发器的工作原理。最终的教学关键点将从工程（Engineering）的角度，融合思政教育背景落地到施密特触发器的工程实践应用。

（二）教学目标

为了更好地诠释教材的理念，培养学生的创新能力，课程组确立了如下三个层次的教学目标。

1.知识目标：理解施密特触发器工作原理。

2.能力目标：掌握施密特触发电路的分析、设计与应用方法。

3.情感目标：让学生理解在工程实践中，施密特触发电路有着广泛应用，充分认识到数字电子技术在智能化、信息化产业中的重要地位。培养学生勤于思考、擅于分析的习惯与能力，能用所学所获解决工程中的实际问题。使学生树立起“现代数字电子技术是当前智能化、信息化产业发展的技术支撑之一”这一基本观

点，理解数字电路的分析、设计、生产和制造在“中国制造2025”等国家战略计划中的重要地位，号召学生在专业领域要具有攻坚克难的科学精神和自强不息的爱国情怀。

（三）教学策略

在STEAM教育理念指导下，建立起该节课程的教学策略如表1所示，教师组织引导，学生主动参与，以期实现以体验为主的课程学习模式。

（四）教学过程

按照上述教学策略，“施密特触发器的基本原理与应用”一节的具体教学过程如表2所示。课程组将该节的实施过程按照课程大纲要求分解为6个子任务，针对各个子任务的特点采用不同的教学策略，使得STEAM教育理念能全面融入到课程教学之中，从而达到“卓越工程师”教育培养计划的要求。

四、总结

从国家提出的“新工科”建设和“卓越工程师教育培养计划”的高等工程教育要求出发，将当前“数字电路”课程的教学目标定位到面向“中国制造2050”等国家重大战略需求中，面向中国智能化、信息化产业发展，为数字集成电路与芯片等行业输送具有强烈职业愿景、优秀职业素养和扎实工程实践能力的电子工程技术人才。要想实现这一课程新目标，STEAM教育理念无疑是重要途径之一。秉承STEAM教育思想，对数字电路课程进行教学改革，以学科知识和工程能力为载体，以学生为中心，充分利用“线上MOOC学习+半翻转课堂”的创新授课方式，以工程问题导向式的真实任务情景开展教学活动。开展编撰面向工程实践的“设

计—实现”式“数字电路”实验，实现学生基于“口袋实验室”的个性化、项目制“数字电路”实验课题的开展。通过建立数字电子技术相关企业的校外实践基地，与国内著名数字集成电路、芯片公司开展校企合作、联合授课等方式，将学生的课程实践延伸至创新创业大赛、专业竞赛等领域，有效提升学生在复杂数字电路系统分析、设计和制造上的能力。这一凝结STEAM教育理念的“数字电路”课程教学模式在“西南大学线上线下混合式国家级一流本科课程建设项目”支持下，在西南大学2018级电子信息类专业教学中进行了实践和应用。从教务系统的在线评教调研上看，学生的平均课程满意度达到了93.61%，比往届学生评价高出了3个百分点。从课程期末总评成绩上看，学生成绩的优良比率达到了87.56%，证明课改大幅度提升了学生的知识内化效率。在今后的教学中，探索如何更加科学地融合STEAM教育理论和“数字电路”课程知识，更加有效地整合工程技能实践，更加充分地发挥产学合作、协同育人的作用，将成为该课程持续性教学改革的重要方向。

参考文献：

[1]张秀再，裴晓芳，赵益波，等.新形势下“数字电    路”课程教学改革探索[J].电气电子教学学报，    2018（6）.

[2]李如春，金燕.数字电路与数字逻辑课程多课堂    协同教学模式改革[J].计算机教育，2020（1）.

[3]徐红，贾立新，吴根忠.基于EDA技術的“数字    电路”课程教学实践[J].电气电子教学学报，    2019（1）.

[4]马驰远，陈海燕，刘胜.数字集成电路课程案例教学模式的    探索与实践[J].电气电子教学学报，2020（1）.

[5]孙琦，徐锦丽.基于OBE模式的《数字电路》课程教学改    革研究[J].电脑知识与技术，2019（35）.

[6]王云霞，柴志军，刘明亮.基于SPOC教学模式的数字电路    课程教学探索[J].黑龙江科学，2020（1）.

[7]朱慧博，史洪玮，秦玉龙.数字逻辑电路教学改革的新探索    [J].黑龙江教育（高教研究与评估），2016（11）.

[8]刘悦婷.将课程思政融入《数字电子技术》课程的教学探    索[J].兰州文理学院学报（自然科学版），2019（3）.

[9]田世海，王宇奇，安宁.基于STEAM教育的大学生跨专业    创新素养研究[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2020（6）.

[10]陈晓慧，徐彬，张哲.STEM教育研究与实践的理念与路      径——访不列颠哥伦比亚大学科学教育专家Samson       Nashon教授[J]. 中国电化教育，2019（4）.

[11]陈明选，苏珊.STEAM教育视角下教育技术学人才培养      的思考[J].电化教育研究，2019（3）.

[12]梁芳美，王运武，郑慧茵，等.国外STEAM教育现状及其      启示[J].中国教育信息化，2019（18）.

[13]董泽华，卓泽林.基于项目学习的STEM整合课程内涵      与实施路径研究[J].中国电化教育，2019（8）.