新工科背景下农林院校数字电子技术课程教学改革探索
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作者:廖娟 吴敏 刘路
摘要 新工科的建设与发展对高校工程专业课程教育提出了新要求，对学生的培养提出了新的目标。在新工科背景下对农林院校数字电子技术的教学现状进行了分析，然后围绕新工科的工程科技人才培养要求，有针对性地从优化教内容、改进教学方法、加强创新实践等方面进行了教学改革探讨。
关键词 数字电子技术;新工科;教学探讨;农林院校
Abstract The construction and development of new engineering puts forward new requirements for engineering professional curriculum education in colleges and universities， and puts forward new goals for the cultivation of students. Under the background of new engineering， teaching status of digital electronic technique in agricultural and forestry universities were analyzed in this paper. Then， based on the training requirements of engineering and technology talents for new engineering，teaching improvement methods for digital electronic technique were contrapuntally discussed，including the optimization of teaching content，the improvement of teaching mode，and the enhancement of innovation practice.
Key words Digital electronic technique;New engineering;Teaching discussion;Agricultural and forestry universities
电子科学技术的飞速发展使得电气自动化技术、电子信息工程技术等广泛应用于农林业，因此很多农林院校开设了电气工程专业、电子信息工程专业及相关专业。数字电子技术作为农林院校里工科专业必修的电类基础课，是后续的理论课程和实践课程（如单片机原理及应用、EDA技术、电力电子技术、电子工艺实训等）的先修基础课[1]。课程通过对常用数字电子器件、组合逻辑电路、时序逻辑电路及其系统的分析与设计，让学生掌握数字电子技术的基本概念和基本原理，并能够将概念、原理及电路分析设计方法应用于工程问题的解决，获得数字电子技术方面的基本理论、基本技能以及工程实践能力，为学生学习相关专业知识和从事工程技术工作打下良好基础[2]。
数字电子技术有着极深的理论知识和应用技能，该课程的专业基础知识在农业信息化、农机智能化、农作物信息感知等众多热门领域有着广泛应用，应用前景广阔，是现代农業工程学科发展的重要基础。随着教育部《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》的发布，各地高校开展了新工科的研究实践活动，深化工程教育改革，推进新工科的建设与发展，新工科的5个“新”，即工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系[3-5]。在5个“新”的指导下，数字电子技术课程的传统教学方法已不能适应新工科背景下创新工程教育的要求。笔者围绕新工科复合型创新人才培养要求，在分析农林院校数字电子技术课程教学现状的基础上，有针对性地探讨了农林院校数字电子技术课程的教学改革措施。
1 传统农林院校数字电子技术课程教学中存在的问题
数字电子技术在农业电气化、智能化等领域应用广泛，为满足农林创新研究人才的需要，数字电子技术课程教学中应将农林人才创新实践技能需求与教学内容相衔接[6]，在教学内容中引用农业工程实际应用中的电路案例分析，让学生能够主动结合某一电路的实际工程应用来学习和分析电路，在研究与实践中主动学习知识。但传统的数字电子技术课程教学局限于理论知识的传授，笔者根据自己的教学实践以及与同类课程的授课教师进行教学交流，总结了目前农林院校数字电子技术教学中存在的主要问题。
1.1 理论教学学时压缩，知识点抽象
数字电子技术的理论教学学时由64学时压缩为48或56学时，安徽农业大学数字电子技术为48个学时，但课程内容涉及知识多，授课教师面对如此多的教学内容通常会进行选择性的授课，如第二章中逻辑函数化简，课上教师会系统而详细的重点讲解公式法和卡诺图法化简，但是实际生活中电路变量个数的增加，公式法和卡诺图法化简使用受限，而更实用的Q-M法化简不在课上进行教学[7]。此外，知识点抽象，学生很难理解与消化，如前面所学电路内容涉及都是具体的电压值和电流值，而数字电路中只有0和1这2个逻辑值，数字电路中如何获取这两个逻辑值以及涉及到的二进制运算等知识点抽象，课上如果不结合计算机运行过程和实际工程应用，而是单纯枯燥地介绍该部分知识点，学生不能直观地理解，只能对教师传授内容的记忆或生搬硬套，产生厌学情绪而影响后面内容的学习。
1.2 实践教学环节欠缺，创新度不高
在实践教学环节中，学生往往只是机械地仿照实验指导书上的步骤来完成实验内容，并不仔细思考其中的设计原理，不能很好地掌握电路在实际应用中的工程背景及应用场合，且验证性的实验与设计题目陈旧，创新度不高[8]。此外，该课程学生人数众多，数字电子技术及其相关课程在安徽农业大学涉及农机化工程、机械化工程、车辆工程、建筑与能源工程、电气工程和设施农业工程等众多专业，每年修该课程的学生达到1 000多人。在实验与课程设计环节，学校的实验条件颇为有限，造成了学生多人一组，部分学生并没真正参与到设计内容，而是从网络或同组同学处抄袭设计内容以完成学习任务，很难得到充分实践。 1.3 重视通用知识教学，农业特色不明显
面向大学的工科专业，现行的数字电子技术理论教学只是区分电类与非电类来制定教学大纲和教学计划，不同高校的相同专业数字电子技术理论教学内容差异不大，多在数字电路基本知识、基本数字逻辑电路的分析与设计以及常用芯片的功能特性与应用等通用知识教学。但同一专业在不同的高校具有不同的特色，对于具有农林专业背景的学生来说，其教学体系中应多为农业工程问题如农业信息采集电路、农机自动化控制电路等，通用知识的教学与专业背景和工程实际问题脱节，难以激发学生的学习兴趣。
2 数字电子技术课程教学探索
针对数字电子技术课程教学局限于传授基础知识的现状，结合现代农业发展的前沿技术，按照“新工科”的工程科技人才培养要求，探索数字电子技术课程教学模式。
2.1 优化教学内容，改进教学方法
结合农林学校特色专业的人才培养方案，修订教学计划，调整教学大纲，对课程内容进行优化，在保留基本概念、基本理论、基本运算的前提下，将先进的农林技术、科研成果、新知识新工艺转化成教学内容及时传授给学生，以讲清概念、强化应用为重点来确定课程的主要内容和体系结构，密切联系实际，强调工程应用，并在课堂教学前，与相关课程授课教师进行沟通，处理好课程间的衔接和课程相关内容间的关系。
基于课程特点，教学方法应突出学生的主体地位，理论知识的讲解以项目为载体，并在教学中引入仿真软件（如Multisim等）进行教学[9]，将一些抽象枯燥、传统方法中难以用语言表达的知识点，利用仿真软件就能直观地观察电路的运作过程和元件状态变化的细节，激发了学生的探究欲望，学生不由自主地进入学习情景中，随着教师的引导与启发，自主地开始进行问题的探讨，让学生不再局限于传统教学模式下知识点的理论分析和记忆，激发学生的能动性，培养抽象学习能力。
以温室中16个采集点温度数据采集系统为例，该项目可分为数据采集与转换模块设计、控制器数据接收模块设计、控制器数据发送模块设计等项目，各点温度传感器采集的温度信号经过AD转换和无线发送至主控制器，主控制器进行温度的判断比较后进行相应的加温或降温处理的控制，由于采集点多且主控制器的输入输出接口有限，将数字温度信号通过16-4线编码器编码到达控制器，控制器接收、处理相应的4位二进制码，发送给4-16线译码器，译码器根据有效信号位去控制相应的加温或降温部件。在数据采集和转换模块设计项目中，按照数字电子技术课程的知识体系，引出该节课所要讲授的知识点模数转换（A/D），讲授完后利用Multisim软件设计并仿真项目，在学生掌握基本理论后，设置情景，如果数字量的数据需要转换为模拟量怎么办？学生由被动记忆 A/D原理转变为主动探索A/D与D/A功能以及电路设计、模拟情境的设置，激发学生学习的主观能动性。
2.2 强化创新能力培养，设立创新实践教学
学生通过实验实践才能更好地掌握理论知识以及知识的灵活运用，而传统的实验实践教学大多为基础性的验证性实验，不能将课程知识很好地应用到实际[10]。为弥补现有实验教学的不足，开设创新实践教学，结合院校特色、专业培养目标以及技术的发展，以小课题形式提出若干与农林知识相结合的研究方向，结合自己的兴趣，学生自主地组建小组，合理地分工合作，通过文献调研、解决方案讨论以及实验设计和验证，整个实践过程的学习，能够让让学生深入掌握课程知识和实践应用，更能够培养学生创新意识、提高实践能力水平、培养学生自身团队间的合作意识与协作水平以及学生求真务实作风，这些都为将来的继续升造或者进入社会工作打下了良好基础。
此外，结合学科竞赛内容，将科技活动有效引入第二课堂，改革实践教学内容，加强交叉学科知识的学习，推进实验室开放，配合全国大学生电子竞赛、全国大学生自动化大赛、全国大学生农业智能装备大赛以及安徽省单片机与嵌入式系统应用大赛等，开展数字电路的应用类型综合实训，并通过兴趣小组的筛选，可以将较好的学生和较好的小组作为大学生各类比赛以及大学生创新项目等高水平大赛的人才和团队储备。
2.3 以产教融合为指导，提升学生的创新创业能力
产教研融合即将理论、实践、创新三者进行有机的结合，为更好地实现产学研一体化，如安徽农业大学工学院可以继续加强与合肥阳光电源公司、中联重机股份有限公司、合电正泰电气设备公司、安徽电力公司等相关企业的产学研合作，完善校外实践基地建设，充分发挥和依托本学院电工电子教学实验中心、校外实践基地，强化企业和社会环境下的数字电子技术综合工程实践训练，学生参与项目的设计、运作等各个环节，学生的创新意识得到激发，切实地提高学生的创新创业能力。另外，产教研融合還可以实现校企共建课程与教学资源，结合企业项目，进一步优化教学内容，丰富课堂案例教学，促进教学方法的改进，真正做到“做中学、做中教”的教学做合一。
基于创新实践教学，考评方式不再是单轮的理论考试+平时成绩，而是要加入学生实践能力的考核，包括实践项目实施过程、研究报告以及答辩成绩，使教学重点放到能力的培养上，切实培养学生分析问题、解决问题的能力，调动学生主动学习的积极性以及对研究与实践的兴趣，开拓学生的创新精神，提高学生的综合素质。
3 结语
在新工科背景下，分析了农林院校数字电子技术教学的现状，有针对性地对教学方法改进进行了探讨，具体包括优化教学内容、改进教学方法、强化创新实践教学以及加强产学研，旨在将实践教学引入课堂，通过实践学习，巩固基础知识、提高创新实践能力，最终培养理论知识扎实、创新实践能力强的农林“双创型”后备人才。但教学是一个不断改进的过程，如何培养出新工科复合型创新人才，后续的教学过程仍需要不断改革创新。
参考文献
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