OBE理念下数字电子技术实验教学改革与实践
孙敏 金印彬 宁改娣
摘要：文章基于OBE理念，以工程教育认证为背景，针对数字电子技术实验教学中存在的问题进行了一系列改革。以学生具备数字系统设计能力为目标，将相互独立的验证性实验内容转变为以项目设计为导向、项目组成模块为基础的设计性实验内容，并将数字系统设计思想和方法融入每次实验，由浅入深地使学生逐步掌握数字系统的设计流程和方法，最终具备扎实的硬件描述能力和综合设计能力。实践证明，数字电子技术实验改革极大地激发了学生学习的积极性和主动性，锻炼了学生的工程实践能力，使学生具备了一定的数字系统设计能力。
关键词：OBE;数字电子技术实验;实验教学
中图分类号：G642? ? ? ?文献标志码：B? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2020）02-0041-03
一、背景
成果导向教育（Outcome-Based Education，简称OBE），源于20世纪90年代的北美地区[1][2]。在美国等一些发达国家已有多年的理论与实践探索，至今已形成了一套比较完整的理论体系和实施模式，而且已证明是高等工程教育改革的正确方向[3]。OBE理念要求教师清楚学生毕业时应达到什么样的结果，然后寻找并设计适宜且有效的方法使他们达到这些结果[4]。OBE理念从传统的“以教师为中心”转向“以学生为中心”，注重对预期学习效果的把握，按照毕业时学生所应达到的要求制定教学计划和培养方案，以便预期学习结果的实现。
美国工程教育认证协会（ABET）全面接受了OBE的理念，并将其贯穿于工程教育认证标准的始终。2013年6月，我国被接纳为《华盛顿协议》签约成员。相关实践证明，用成果导向教育理念引导工程教育改革具有现实意义[5][6]。
我校电气工程学院于2018年9月提出认证申请并获得批准。与此同时，我们对数字电子技术实验也进行了改革与试点，将OBE理念贯穿于实验教学过程之中。數字电子技术实验是我校电气工程与自动化专业的基础课，面向大二年级的本科生，是培养学生基本实验技能与工程实践能力的重要环节。基于OBE理念[1][7]，我们重新思考了数字电子技术实验教学的目的，是要让学生通过各个实验环节最终掌握数字系统设计的基本方法，学会利用EDA（Electronics Design Automation）工具进行数字电子系统设计，从解决复杂工程问题中提升工程实践的能力、分析和解决工程问题的能力，并且会撰写标准规范的实验报告。因此，我们总结了目前实验教学中存在的问题，以OBE理念为指导进行了一系列改革。目前，该课程改革已进行了两届试点，效果显著。
二、基于OBE理念的数字电子技术实验改革
1.以项目设计为导向，变革实验内容
可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，简称PLD），包括现在的CPLD和FPGA。随着以PLD为主的新技术及其行业的快速发展，传统的逻辑设计教学体系与行业的实际应用需求产生了偏差[8]，首先，传统数字电子技术教学的许多内容已经被淘汰。例如，卡诺图在现代数字系统设计中很少用到。此外，传统数字电子技术教学中的许多中小规模器件都已经淘汰，市面上很难买到。传统数字电子技术教学的状态是教的不用，用的不教，有些内容仅仅用于考试，实际生活中基本不用。
国外数字电子技术教学早已更新成基于CPLD和FPGA的数字系统设计，如MIT、Stanford和UC Berkeley等美国很多著名高校不断跟进数字电子技术的发展，都是在基于新型FPGA的实验系统上开展《数字电子技术》《微处理器结构》《嵌入式系统设计》等课程的教学和实验[9]。
基于硬件描述语言的数字系统设计已经成为现代数字电子技术教学的主流[10]。因此，我们针对教学模式进行了以下四个方面的改革：
（1）合理分配学时
作为实践类的课程，教学内容必须紧跟技术的发展和行业的需求，而数字系统设计能力的提升需要大量、不断的设计实践的积累。因此，我们将实验课程的重点放在对学生数字系统设计能力的培养上，将传统基于中小规模器件的相关实验教学学时压缩，由原来的8学时变为4学时，其余12学时均转向基于FPGA的数字系统设计实验。保留中小规模器件实验的主要目的，是通过门电路的功能和特性测试，使学生对所学理论知识有一个直观的认识和理解，便于学生掌握数字电子电路的基本原理和工作过程。
（2）以项目为始，以项目为终
在基于FPGA数字系统设计实验内容上，通过教学要达到的目的和效果引领实验内容的设计。改革之前，实验内容大多为验证性实验，通过Verilog语言进行功能电路描述与验证。例如，多路选择器、3-8译码器、秒脉冲发生器等实验，各个实验之间没有相互联系，学生最终并未真正掌握系统设计的方法，只见树木不见森林。
为了培养学生数字系统设计的能力，我们抛弃了大部分验证性实验，改为设计性实验，并且以项目设计为导向，每学期提出一个复杂设计性题目，然后将题目分解成几个有相互关联的设计性实验，采用递进性的实验内容安排，最终完成一个复杂的设计性实验。通过完整的项目设计，使学生能够体验到一个复杂数字系统从设计到实现的全过程，同时培养了学生的系统性思维[11][12]。
（3）润物细无声
教师在教学过程中将数字系统设计思想和方法融入每次实验，强调电路与Verilog语言程序的对应关系，注重数字系统设计思想与方法的传授，如有限状态机、数模转换、模块化设计等，既体现FPGA的特点，又能包含FPGA设计关键点，使学生在循序渐进的实验过程中逐步掌握数字系统设计的流程和方法。
（4）人人都能成功
在题目设置方面，将题目拔高到学生可以够得到的程度，促使学生努力去做。同时，题目又是分级别的，分别设置基础要求和提高要求，学生根据自己的能力完成相应难度的题目要求，体现了差异化教学，确保人人都能掌握基本的设计方法。
2.丰富微信公众号内容，课内课外协同
由于学时数有限，通过课堂讲解实验内容的重点和难点，很难做到全面细致;数字系统设计的学习需要大量扎实、循序渐进的实验练习，仅仅完成课堂实验任务远远无法达到学习的目标。同时，学生需要学习一种新的硬件描述语言——Verilog语言，它不同于其他高级编程语言，学生在短时间内理解和掌握存在困难，需要在大量的练习中不断总结和积累。
针对以上问题，我们建立了数字电子技术微信公众号，将基础内容和实验任务公布在公众号上，如ISE软件的使用、引导例程以及有关Verilog语言设计要点，常见Warning和Error处理方法等。学生可以利用公众号随时随地进行课下自学和预习，在短时间内掌握FPGA设计的基本方法。
实验教材还给出大量的数字电路模块实例和练习。例如，译码器、编码器、多路选择器、比较器、加法器、移位寄存器、计数器等等。学生在课下进行基础实验练习，并根据公众号发布的实验进程和要求完成课上实验任务。
3.制作实验报告模板，规范实验报告
实验报告是一个完整实验的重要组成部分，是对实验的再次思考、分析和总结的过程，体现了实验者的科学素养。学生今后无论是毕业设计还是研究生学习，都需要将研究结论、实验结果以报告的形式提交。因此，撰写标准的实验报告是学生必须具备的一项基本能力。往届学生上交的实验报告常常存在各种格式不规范的问题，如缺少目录、字体大小不合适、图表格式不规范、没有完整的数据分析等诸多问题。如何指导学生完成一份合格的实验报告，也是此次改革的一项重要内容。
为此，我们制作了实验报告模板，要求学生套用报告模板撰写报告。模板中包含了摘要、目录、附录等报告所需的基本元素，也给出了规范的标题和正文字体、字号以及图表的格式要求。通过引导，学生提交的报告虽然仍会出现这样那样的小问题，但总体来说在规范性和内容完整性上有了很大程度的提升。
三、实验案例的具体实施
1.题目设置与课程安排
以2019年春季教学为例，本次选择的设计内容为函数信号发生器的设计，自选信号发生器频率的控制方法。基本功能要求为输出正弦波，且频率可变。频率变化范围：1Hz-9999Hz。提高要求则是在此基础上，产生三角波和方波，且实现幅度和直流偏移可调以及扩大频率输出范围。确立题目后，我们将题目分解到每次实验当中，每一步都是在前一步的基础上展开的。实验具体安排如表1所示。
2.现场教学与考核
实验课程一开始，教师就告知学生数字电子技术实验课最终要完成函数信号发生器设计。学生首先有一个数字系统的概念，站在系统的角度去搭建系统组成的每一个模块。从FPGA实验开始，每一个实验模块都在为最后一次函数信号发生器做准备。每次实验又是一个相对比较完整的设计性实验，都有一定的难度，只有把每一次实验都做好，才能保证后续实验的顺利进行。
我们通过课前预习、课内讲解和当堂验收来推动学生一步步地完成数字系统设计。一方面，学生需要在课前根据公众号提供的内容进行预习，并对设计中模块进行仿真验证，只有验证通过了才能进行下载调试。另一方面，每次实验课都要进行10-15分钟的讲解，重点讲解设计方法、设计步骤、设计原理，强调Verilog语言的特点和设计规范。在实验过程中，对出现的共性问题，随时给予讲解。此外，我们鼓励学生相互讨论，但杜绝照搬照抄，为此每次实验都会在基本实验内容的基础上适当调整实验要求，不同班级验收的内容不尽相同。并且在验收时，对学生进行相关知识和要点的考察。
3.答疑和实验室开放
函数信号发生器的设计必须使用示波器，在最后一个实验周前的周日和周六，我们全天开放实验室，并给学生提供答疑。学生的积极性很高，实验室全天爆满，甚至到了晚上12点，有的学生还不愿意离开。为此，我们将最后一个实验周除有实验课外的时间，全天对学生开放，尽可能多地为学生提供学习条件，满足学生的学习需求。
4.作品验收与实验报告提交
最后一次实验课，进行课内作品验收，学生需向教师展示所实现的作品功能，讲解系统功能和设计思路，并回答教师提出的问题。同时，学生提交实验报告及作品演示视频，教师当面指出设计报告中存在的问题。99%的学生都能完成基本实验要求，40%的学生能完成1-2项提高要求，并且在实现方法上多种多样。
四、结语
教研组在改革的过程中充分贯彻了OBE思想，以项目为导向、以学生为中心，不仅注重学生最终的实践成果，更注重学习和实践的过程，教师通过题目的层次化设计，分节引导，使学生逐步具备扎实的硬件描述能力和综合设计能力。
数字电子技术实验不再是简单的模块电路设计和验证，而是通过最终完成一项数字系统设计来检验学生基础是否牢靠，是否具有数字系统的硬件描述能力。经过试点，学生的兴趣和积极性大大提高，都能在教师的引导下完成最终的项目设计，并且目标的实现方法灵活多样，具备了基本的数字系统设计能力和撰写规范实验报告的能力。
参考文献：
[1]姜波.OBE：以结果为基础的教育[J].外国教育研究，2003（3）：35-37.
[2]顾佩华，胡文龙，林鹏，等.基于“学习产出”（OBE）的工程教育模式——汕头大学的实践与探索[J].高等工程教育研究，2014（1）：27-37.
[3]邹琼.工程教育中推行OBE模式的问题与思考[J].高等理科教育，2017（4）：72-76.
[4]吴秋凤，李洪侠，沈杨.基于OBE视角的高等工程类专业教学改革研究[J].教育探索，2016（5）：97-100.
[5]李志义，朱泓，刘志军，等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J].高等工程教育研究，2014（2）：29-34+70.
[6]李建霞，闫朝阳.工程教育专业认证背景下数字电子技术实验改革[J].实验室研究与探索，2017，36（1）：156-159.
[7]张其亮，陈永生.基于OBE的多维度阶梯式实践教学体系构建[J].实验室研究与探索，2018，37（3）：206-209+225.
[8]汤勇明，张圣清，陆佳华.搭建你的数字积木——数字电路与逻辑设计[M].北京：清华大学出版社，2017：1-10.
[9]寧改娣，金印彬，刘涛，等.“数字电子技术”课程实验教学改革探讨[J].电气电子教学学报，2013，35（4）：102-103.
[10]王红，阎石，华成英.浅谈“电子技术”课程中的“硬件描述语言”教学[J].华北航天工业学院学报，2006（S1）：82-84.
[11]滕菲.以学生为中心，以项目为载体，实现工学结合一体化教学——“电子技术”教学改革的体会[J].中国电力教育，2011（22）：67-68.
[12]蓝波，张晓燕，晏涌.OBE教育模式下的系统思维能力培养——以数字电子技术实验为例[J].大学教育，2018（8）：6-8.（编辑：李晓萍）
