【教学创新大赛】《数字电子技术》教学创新成果报告

《数字电子技术》课程教学创新成果报告摘要：《数字电子技术》课程以工程教育专业认证为导向，以学生为中心，以“学生能力培养”为核心，创新教学模式，实现知识传授向能力培养的转化。课程组按一流课程建设标准，构建线下为主、线上为辅的混合式教学模式;紧紧围绕“两性一度”项层设计，基于“高阶性、创新性、挑战度”要求设计教学活动，使知识、能力和素质有机融合。通过构建“理论学习-软件仿真-面包板实物制作-PCB板制作-实物制作调试”的层次化教学过程,开展基于项目驱动的过程教学，重构课程知识体系，培养了学生的工程实践能力、团队协作能力和“工匠精神”。教学过程运用“课联网”，打造应用型教学“课程链”，有效培养了学生的综合运用知识解决复杂工程问题的能力，进一步提升了教学质量，具有很大推广价值。一、课程建设发展历程《数字电子技术》课程团队由1名教授和3名讲师组成，团队成员教学成果丰硕，共主持国家级一流课程1门、省级一流课程3门:主持省级教改项目5项，发表相关教改论文4篇。在各类教学设计和教学案例比赛中，团队成员先后获得全国一等奖1项、二等奖1项，省特等奖1项，省一等奖2项、。二等奖1项，校教学优秀奖9人次。在团队成员的共同努力下，《数字电子技术》课程建设经历了探索期、提高期和创新期三个阶段。1.探索期:2012年，本课程被列入校级课程教学模式改革试点课，探索基于proteus虚拟仿真项目驱动的课堂教学模式，并采用了探究式的项目讨论法，学生项目设计能力有了较大的提高。2.提高期:2013年被列入浙江省高等教育课堂教学改革课程，总结前期课改成果，发现仿真项目有助于学生对知识的理解，提高课堂教学效果，但具有局限性，单纯的仿真会导致实践环节缺失，无法真正锻炼学生的实践能力。课程开始采用“虚实结合项目驱动”的教学模式，要求学生对于仿真通过的项目，进一步利用面包板搭建实际电路进行调试，这种教学模式使学生实践能力有了很大提高。3.创新期:经过8年的建设,形成了基于项目驱动的教学模式和多元化的教学评价方式，2020年课程被认定为省级线下一流课程。反思课程建设质量的瓶颈与制约因素，课程建设将在创新教学内容体系、教学方法和教学评价方式等方面进行突破，逐步实现知识传授向能力培养的转换。二.课程创新解决的痛点通过对学情分析、学习效果评价和教学过程反思，发现数字电子技术课程教学普遍存在以下痛点。1.工程应用能力缺乏:教学过程普遍注重理论知识的训练，学生习惯做验证性实验，缺乏项目设计经验和工程应用能力的培养。2.差异化学习需求得不到满足:传统同质化的教学资源，一视同仁的教学要求，漠视了学生个性化的学习需求，导致学生主动性不足，缺乏学生创新能力的培养。3.知识构建能力差:教学过程知识碎片化、学习碎片化，导致了课程内各知识点孤立、课程与其它关联课程之间知识孤立，学生缺乏综合运用知识的能力，学习成果缺乏“高阶性和挑战度”。针对以上教学过程中存在的痛点，本课程组重点要解决的问题是:(1)解决如何增强学生工程应用能力的问题:(2)解决如何体现学生成果“两性--度”的问题:(3)解决如何提升学生综合能力培养的问题。三.课程教学创新的主要举措1.以进阶项目为主线，重构了理论与实践有机融合的教学内容体系本课程共设计了5个工程应用项目作为学生项目，如图3-1所示。其中，4个为低阶性的个人项目，1个为高阶性的综合性团队项目，项目难度由浅入深进阶，特别是综合性项目的主要功能所对应的知识点层层递进。课程内容以这些层次性知识点为主线，重构了理论与实践有机融合的教学内容体系。学生通过项目设计和制作，可以将课程知识点串起来，从而有效解决了课程知识碎片化问题，培养了学生综合运用知识的能力:通过工程项目设计和制作，增强了学生的工程应用能力和团队协作能力。课程在教学过程中，充分利用“课程链”团队，梳理了课程之间的关联知识点，图3-2所示为综合性项目“八路抢答器”中包含的相关“课程链”课程中的知识点，项目在制作过程中，“课程链”团队协同支持，有效解决了各课程之间知识孤立问题，培养了学生综合运用知识的能力。通过课程间综合性知识的运用，使学生能从全局、系统的层次上思考学习专业问题，从而培养学生解决复杂问题的综合能力和高阶思维。2.以工程项目为教学案例，实现了教师科研成果向教学内容的转化由于教材教学内容滞后性较大，缺乏新颖工程应用实例，缺乏电子技术方面的前沿新技术，导致学生课程所学与工作所需严重脱节。将教师的学术成果和工程经历很好地转化为教学内容，是解决目前教学内容理论与实际应用脱离的有效途径。课程团队是一个教学科研型团队，科研能力较强。课程负责人被列入浙江省151人才工程梯队和浙江省重点企业研究院“青年科学家”培养计划。课程团队共主持完成省重大专项等省部级项目7项、市级项目5项、校企项目200余万元。团队成员积极开展产学研结合，并能将工程经历中的问题提炼成教学内容，向学生介绍科技发展前沿和我国科研发展现状。例如，将“空压机组控制系统、水箱水位控制、温度控制、交通灯控制、称重系统、病房呼叫系统和多传感器火灾报警系统”等工程项目作为教学案例，从而实现教师科研成果向教学内容的转化，进一步提升了学生解决复杂工程问题的能力。3.以学科竞赛为载体，将学科竞赛融入课程教学内容数字电子技术是电子设计竞赛、智能车竞赛和机器人竞赛等学科竞赛的重要的基础课程，课程团队积极参与学科竞赛指导，并且具有丰富的指导经验。为了更好地激发学生的学习兴趣，课程团队将学科竞賽的内容融入到课程教学中，例如，将“智能车自动寻迹中的数模转换问题、机器人寻宝过程中开关控制问题”等融入到案例讲解中,突出课程的创学习新性,增加学习内容的挑战度。通过“以赛促学、以学促能”的创新教学，引导学生自我管理、主动学习，取得了很好的教学效果。2020年，自动化191班的学生在数字电子技术课程学习期间有近三分之一的学生就参加电子设计竞赛、物理科技创新竞赛等学科竞赛，在并获得了省一等奖2项、省二等奖1项；2021年，该班学生获得电子设计竞赛全国一等奖3项、省一等奖1项、省二等奖1项。4.课程元器件库的建设及应用本课程的教学设施配套完善,有省级实验教学示范中心--电工电子实验中心和市级实验教学示范中心--机电控制及自动化技术专业实验室，均能为学生开设电子技术的专业课程实验，也能支持学生的课外实验和创新活动，对培养学生的动手开发能力十分有利。为了更好地支撑学生项目设计，本课程已经单独建有课程元器件库，近2年新购买元器件的经费超过8万元，采购了数字电子技术及相关学科竞赛所需的大量元器件，为学生的实践制作提供了充分的保障，学生的动手能力得到了较大提高。5.以立德树人为根本，将思政元素融入课程教学内容课程组坚持把立德树人作为中心环节，把思政教育贯穿教育教学全过程。课程教学中积极融入“课程思政”元素，充分发挥课堂育人的主渠道作用。“课程思政”元素的主要切入点有:①责任感:课程组及时更新教学内容和教学方法，融入科技前沿知识，使学生了解科技发展前沿和我国科研发展现状，结合科技进步在国家富强、民族复兴中的地位和作用，激发学生的家国情怀和责任感。②“工匠”精神:课程采用基于项目驱动的过程教学，通过项目设计与制作，弘扬严谨认真、精益求精、勇于创新的“工匠”精神。③协作精神:通过团队项目的设计，培养学生的沟通交流能力和团队协作精神。④敬业精神:通过教师分享自己的教学科研经历，培养学生努力工作、敬业爱岗的劳动精神。⑤节约精神:节约是美德，需要我们代代相传。在项目制作过程中，要求同学们进行方案优选，成本计算，并按元器件清单领取所需器件。项目验收完成后，尽可能多地回收可重复利用的器件。在教学的潜移默化下，同学们的团队协作精神和工匠精神已经入心入脑。图3-3为学生分享项目制作过程中的心得体会。四.课程教学环境及组织实施情况1.线下为主、线上为辅的教学环境课程教学采用线下为主，线上为辅的教学环境，线下完成课堂教学、项目制作讨论、实验和期末考试等教学环节，线上完成视频学习、课后作业和阶段性测试等教学环节。课程已在超星课程网络教学平台上建设了在线开放课程(略)，提供了课程视频、课件、作业等教学资源，方便学生在线学习，具体实施的教学内容如图4-1所示。2.三段式管理和八步法教学教学以学生为中心，实施过程采用三段式管理和八步法教学，如图4-2所示。三段式管理分别为课前、课堂和课后管理。教学组织采用八步法，课前布置项目任务，要求学生根据任务完成八个过程，具体为:①线上学、②网上查、③线下做、④问题引、⑤教师讲、⑥学生秀、⑦师生评、⑧课后改。3.多维度项目驱动和多元团队协同支持本课程在教学内容上以多维度项目设计制作为驱动,并利用多元团队协同支持来完成教学过程。多维度项目设计制作为驱动，包括:虚拟仿真——面包板实物制作——实验板电路制作——PCB板实物制作调试，如图4-3所示。将综合性项目按知识点分解成若干功能模块，由浅入深，层层递进；课程坚持“以学生为主体”，采用课堂讲授、案例分析、项目制作相结合的启发式和讨论式教学方法，正视学生学习兴趣和个体能力差异问题，构建了层次化教学过程，实现了教师讲授向学生项目设计制作的转化，也满足了不同类型、不同层次学生的学习需求。通过项目制作培养了学生的工程应用能力，学生成果体现了高阶性、创新性和挑战度。“课程链”团队和学科竞赛协同支持，共同完成教学过程的实施，如图4-4所示，进一步提升了综合运用知识解决实际问题的能力。4.建立学习过程跟踪与评估体系课程根据教学大纲中所支撑的毕业要求，制定了学生学习跟踪和评估体系，如图4-5所示。教师对学生的学习情况进行跟踪评估，对不及时完成作业及项目的同学及时进行预警督学。学期结束，对学生整个学期的学业情况进行评估，对不达标的学生进行学业预警和帮扶。5.课程成绩评定方式课程学习效果采多元化评价，包括线下项目设计、线上学习成绩、实验成绩和考试成绩等，见图4-6所示。其中线下项目设计主要考察点为基本分析解决问题的能力、团队协作能力、综合分析能力、拓展能力、创新能力等。五、课程创新点及效果总结1.课程主要创新点①通过基于“高阶性、创新性、挑战度”要求设计教学活动，使知识、能力和素质有机融合:通过构建“理论学习-软件仿真-面包板实物制作-PCB板制作-实物制作调试”的层次化教学过程，培养了学生的工程实践能力、团队协作能力和“工匠精神”，同时也满足了不同类型、不同层次学生的学习需求。②教学过程运用“课联网”，打造应用型教学课程链，有效解决了课程间知识衔接不畅的问题，有效培养了学生综合运用知识解决复杂工程问题的能力，进一步提升了教学质量，具有很大推广价值。③运用现代仿真软件、口袋式面包板和PCB板制作调试等多维度工具，有效提升学生工程实践动手能力，使学习结果具有个性化和创新性，学生反馈普遍较好。2.课程效果总结①学生能力提高经过课程学习学生综合性项目设计能力逐年提高,课程目标达成度也较高。图5-1为近三年自动化专业学生的课程目标达成度，课程目标4和5逐年提升，反映了学生运用综合知识解决复杂工程问题的能力得到了提升。②竞赛成绩突破名《数字电子技术》作为学科竞赛的重要前修课程，为学生参加电子设计竞赛打好了扎实基础。经过前期的课程改革，学生综合分析能力均有了明显的提升,在科技创新平台例如大学生电子设计竞赛、大学生物理创新竞赛、大学生机器人竞赛等中均取得很好的成绩。在2021年全国大学生电子设计竞赛中，获全国一等奖4项(其中，自动化191班学生获得3项)，成绩全面超越历届比赛，这是对电子设计竞赛相关课程教育质量的充分肯定。③学生评价较高学期结束，课程会对学生进行无记名问卷调查，要求对课程目标的达成度进行自评，表5-1为最近完成的教学班自动化191班的问卷调查情况统计。本课程五个课程目标的学生自评达程度高达95%。④教学经验交流本课程多次参加学院、学校组织的教学比赛，并将课程创新成果分享给全校师生。课程组成员也多次受邀去省内外高校做讲座，介绍相关教学创新方法，受到好评。