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基于竞赛驱动的《数字系统课程设计》课程教学改革研究
                             牛小燕，杨柳，郑雪峰
                 （杭州电子科技大学 电子信息学院，杭州 310018）
 
[摘 要]针对目前数字系统课程设计中存在的问题，在调研相关学科竞赛模式及特点的基础上，将学科竞赛的模式引入课程教学，通过将教学过程竞赛化、改革教学内容、建立远程实境实验平台、改革考核方式等手段实施课程教学改革实践，并取得了一定的效果。
[关键词]竞赛驱动；教学改革;创新能力 
[基金项目]杭州电子科技大学2019年度高教研究项目“竞赛驱动的数字系统课程设计的教学改革研究”（YBJG201905）。
最近几年是信息化引领全面创新、构筑国家竞争新优势的重要战略时期，而通过深化教育改革，提升大学创新人才培养能力，培养学生的创新精神、实践能力，是高校面临的重要任务^【1，2】。
“数字系统课程设计”是一门工程实训课程，是学生基于项目情境下，在老师的指导下，通过查阅资料，运用所学过的理论知识，结合自身兴趣和条件选择和确定课题，利用实验室资源，通过个体研究或者与同学的分工合作，设计和实现一个功能独立的数字系统，解决实际中的工程实践问题，从而达到知识建构以及自主创新能力培养的实训课程。这门课程具有自主性、探究性、过程性和实践性的特点^【3】，有利于培养学生理论联系实际、团结协作与创新精神，提高他们的动手实践能力和解决实际问题的能力^[4]。
1、 目前课程及相关学科竞赛的现状
“数字系统课程设计”主要是承接“数字逻辑电路”以及“EDA技术”等课程的教学，要求学生运用数字电路的知识，基于FPGA等可编程逻辑器件设计和实现数字系统，已采用了项目驱动式的教学模式，极大的提高了学生的实践动手能力，但是还存在着一些问题：
（1） 项目选题更接近于理论教学内容，例如针对某些理论知识点的出题，而离实际工程问题较远，不利于对学生解决复杂工程问题能力的培养。（2）在信息技术快速发展的今天，教材和教学内容远跟不上行业的发展速度，急需改革。（3）面对教师的课堂教学和知识灌输，许多学生缺乏学习兴趣和学习主动性。
由于这些存在的问题，课程的教学效果被严重影响，学生在学习过程中能力的培养和提高的效果大打折扣，课程目标与人才培养目标难以达成，因此，开展该课程的教学模式改革显得尤为必要。
随着电子技术的发展，相关的学科竞赛项目也层出不穷，例如大学生电子设计大赛、智能车竞赛、挑战杯、大学生FPGA创新设计赛等。其中“大学生FPGA创新设计竞赛“是专门面向数字系统设计领域尤其是可编程逻辑器件应用领域的竞赛，与本课程的教学内容十分贴合。该比赛由中国电子学会、国家级实验教学示范中心联席会电子学科组联合主办，于2016年首次举办，每年一次，大赛倾向于有特色、有创意、有价值的参赛作品，参加的高校及学生日益增多。而学科竞赛对于创新人才的培养作用这一点也得到了诸多教育研究者的肯定^[5,6]。
    大部分学生平时忙于课业学习，对于非主流的学科竞赛并没有多余的精力去了解。如果没有指导老师的引导和指点，他们很少主动去参加这类竞赛。即便报了名，大多数学生可能也是耗费了不少时间和精力，却达不到理想的效果。而且像这样质量不高的参赛，并不能有效的提升他们的创新能力。
2、 课程改革与实践
通过总结“数字系统课程设计”的课程教学以及参加“大学生FPGA创新设计竞赛”的经验，结合我校学生的实际情况和课程培养要求，将“大学生FPGA创新设计竞赛”的竞赛模式及内容融入到“数字系统课程设计”的教学中来，结合线上线下混合教学模式、远程实境实验平台，建立了基于竞赛驱动的课程设计教学模式。课程改革的具体实施方案如下： 
（一）教学内容的改革
为了改革以往课程教学内容与实际工程相脱节的问题，课程选题由以往的教师给出有限的选题范围（通常为6-8个），改为开放性选题，即课题不限，像竞赛一样，只给出一批结合实际工程问题的参考选题。由于FPGA这一类可编程逻辑器件的灵活性，学生可以借助它实现多种多样的数字系统设计。学生在现有的实验资源的基础上进行课题选择，最大程度的给学生自由创作的空间。并建立配套的的实验资源库说明，将实验室已有的实验资源分类介绍，包括FPGA开发板类、模块类、工具类、元器件类等。教学团队的老师分工合作，编写相应的教学辅助文档，例如模块的功能，模块中各个引脚的含义及工作模式等，并共享在课程的线上平台中，供学生参考使用。
为了防止部分学生出现迷茫，不知道自己能做什么项目，教学组的老师收集和整理往届学生的优秀作品、也选择了部分竞赛案例，分为易、中、难三种档次，放入线上共享资源库，来帮助学生尽快确定自己的设计目标。
实验内容的改革，帮助学生了解行业前沿技术，了解数字系统构建的知识和方法，掌握相应的动手实践技能，并从学中做、做中学，培养学生解决复杂工程问题的能力。
（二）教学模式的改革
由于前驱课程在第三学期已经学完，为了能够有效的按照竞赛模式组织教学，首先，将该课程设计由原来的第四学期期末考试后集中的两周教学，改为了第四学期中间分散进行。然后，在课程开课伊始，就公示课程教学模式及考核方式，学生需先1-3人自由结合为小组，分小组查阅资料，讨论制定设计选题、项目实施计划与小组分工，在指导教师审核后，开始自行设计、调试与制作，最后在截止期之前提交实物作品和报告。在这期间，教师主要的任务是进行选题审核、中期检查，线上线下答疑和指导，以及最后的作品评价。
为了缓解实验室资源紧张的情况，教学团队另外开发了远程实境实验平台，学生可以借助这个平台进行作品的下载与调试，极大的拓展了实验室的空间和时间，方便学生随时随地做实验。远程实境实验平台，相当于将可编程逻辑器件的下载从本地电脑连接的FPGA开发板通过网络延展到实验室中的包含FPGA核心部件的实验板，并通过网络高清摄像头远程实时观察实验结果，从而检验自己设计作品的成败。 
整个教学过程是以学生为主体，学生需要发挥自己的主观能动性，自行进行项目规划，通过与小组其他成员分工合作，努力完成作品的设计、制作和调试。由于使用竞赛模式，给学生的发挥空间很大，整个过程可以带给学生很大的成就感，极大的激发了他们的竞争意识与参与热情。作品提交后，教学团队会统一进行评比，按比例评出相应奖项，向相应团队颁发学院级别的获奖证书并邀请他们参加全国竞赛的预备队，可以进入下一级竞赛的培训和选拔。
（三）考核方式的改革
本课程为实践环节，所以过程性评价非常重要，主要采用过程性考核和终结性考核相结合的方式进行评价，并根据分数，按照学生比例评出一二三等奖，按院级竞赛档次颁发奖状和奖品。过程性考核与终结性考核比例为40%：60%，过程性考核成绩=项目申报书成绩10%+中期检查20%+组内互评成绩10%，终结性考核成绩=（实物演示+答辩）40%+报告20%。其中组内小组成员互评由小组成员商定，对于贡献比较大的组员，比例可超过100%，其他成员相应减分。考核机制制定的公平、客观、合理可以有效激发学生的学习积极性，反之则会挫伤学习积极性。
3、 课程改革成效与不足
将竞赛融入数字系统课程设计的教学后，通过竞赛机制的激励、实验内容紧扣当前产业热点以及给学生很大的自由选择空间，都极大的提高的学生的学习兴趣。经过全员问卷调查，有83.1%的同学认为对该课程有兴趣，有极大兴趣的占47.8%。同时，通过项目化设计、监督、评价的教学模式，推动了学生自主学习的习惯，有78.3%的同学认为该课程有助于自主学习能力的提高。通过小组协作完成整个项目，有效的培养了学生团体协作能力，81.9%同学认为自己的团体协作能力有提高。
经过该课程的教学活动的训练，全部小组都完成了自己的项目。其中报名参加2019年秋季FPGA设计创新大赛的小队人数也创造了历史新高，达到了8个队，其中有5个队获得了决赛中全国二等奖和三等奖的奖项。
但在课程教学活动中，也出现了一些问题，例如学生以小组形式进行项目的设计，有些小组会出现部分同学滥竽充数的情况，这个需要指导教师在中期检查环节就要通过提问严格甄别并予以警示，以督促其后期努力。另外，有些学生在本课程中所作的项目非常优秀，但是由于时间的局限，并没有继续深入下去，比较可惜。这样的项目以后可以在教学中设置合理的接力方式，继续探究下去，将其做大做精。
4、 结束语
本课程采用学科竞赛的模式组织了整个教学，给学生充足的自主设计空间，提供了大量线上课程共享资料，充足的实验室资源及远程线上实验平台，以及指导教师及时、有效的线上指导和答疑，取得了良好的教学效果。课程改革取得了初步的成功，不仅提高了学生的创新能力和工程实践素质，同时也培养了学生的自主学习能力和团队协作能力。
[1] 李金昌，林家莲，实践教学与学科竞赛相结合，促进创新人才培养[J]，实验技术与管理，2011，（28）1-3
[2] 楼蔚松，花有清，竞赛项目教学化驱动实践类课程教学改革与实践[J]，教育教学论坛2019，(10):135-136
[3]李宁波，叶德信等，“数字系统设计”课程的实践教学改革初探[J]，工业和信息化教育，2020（3）39-42
[4] 张霞，张立果，李立珺，数字电路与系统设计基础课程改革的探索与实践[J]，中国现代教育装备，2018（11）52-54.
[5] 范毅，陈芸生等，课程教学与学科竞赛相互融合的现状和趋势研究[J]，社会科学前沿，2020（2）.
[6] 宛楠，杨利，以学科竞赛为驱动的计算机类专业应用型创新人才培养模式研究 [J]，电脑知识与技术，2020（6），143-145
 
[作者简介]牛小燕（1978-），女，河南南阳人，硕士，杭州电子科技大学实验师，主要从事数字集成电路设计与测试以及相关实践教学的研究。手机：13857136741.