“实战优先”教学模式探索与实践

摘  要：普通高等院校作为培养高水平人才的主阵地，为缓解国家高素质应用型人才短缺的问题做出巨大贡献。以电子信息工程为典型代表的强实践型专业人才培养需要长期培育，这与当前学生热衷追求即时成效的功利心态存在难以调和的冲突。该文探讨一种“实战优先”的新型教学模式，并将其应用于数字逻辑设计本科专业选修课。在教学环节，将真实航天测控产业应用与智能图像信息处理科研任务整合进讲授内容，实现理论与实践的紧密结合，旨在促进学生深入思考。在考核环节，采用实用性强、综合性强且难度适中的实战项目（面向FPGA与上位机通信的UART模块设计），重在以高压实战任务与实际技术指标要求反向强化学生所学知识，塑造学生理性、耐心、主动和专注的治学态度。通过教学和实践验证，该教学模式帮助学生强化对数字逻辑设计知识的理解，树立以实际任务、目标、问题为导向的主动意识，培养分析、解决实际问题的实践能力。

关键词：人才培养；实战优先；问题导向；电子信息工程；数字逻辑设计；课程思政教学

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）34-0105-04

Abstract： Universities play a significant role in cultivating high-level talents and contribute to alleviate the shortage of highly skilled application-oriented professionals. However， the cultivation of strong practice-oriented professionals by electronic information engineering requires long-term effort， which is contrast to the student mindset focused on seeking immediate results.This paper explores a new "practice-first" teaching model and applies it to the undergraduate elective course of digital logic design. For teaching， we integrate real-world industry applications and research tasks in intelligent image information processing into the course content to achieve the combination of theory and practice， which promoting deep student engagement. For assessment， practical， comprehensive， and challenging projects， such as the design of UART modules for FPGA are adopted. This approach emphasizes reinforcing students' knowledge through high-pressure practical tasks and real technical requirements， shaping students' rational， patient， proactive， and focused attitudes in learning. Through teaching and practical validation， this teaching model helps students enhance their understanding of digital logic design， establish a proactive consciousness guided by practical tasks， and cultivate practical abilities to analyze and solve practical problems.

Keywords： talent cultivation; practice-first; problem-oriented; electronic information engineering; Digital Logic Design; curriculum ideological andpolitical education

党的二十届三中全会通过的《中共中央关于进一步全面深化改革 推进中国式现代化的决定》[1]提出，加快建设国家战略人才力量，着力培养战略科学家、一流科技领军人才和创新团队。这一决策凸显了人才培养在国家发展中的重要地位。高等院校作为人才培养的重要阵地[2]，应当充分发挥其在人才培养方面的特色优势，着力培养能够解决实际重大技术问题、复杂工程问题的实践型、应用型高素质人才。

一  “实战优先”的教学理念与模式

电子信息工程专业是一个理论与实践并重的本科专业，旨在培养从事电子信息及相关领域工作的应用型技术人才。然而，该专业的本科生在毕业设计培养阶段普遍存在工作质量欠佳的现象[3]。当前，电子信息工程专业课程普遍采取“理论为主，实践为辅，以赛促学”的教学模式，针对这种教学模式，崔允漷等[4]提出“教-学-评一致性”的观点，建立了教-学-评的理论框架[5]，为学科教育提供了范式；汤国安[6]提出“以赛促学，以赛促教”的教育机制，实现了教育资源共筹共建，共享共赢，提高了学生对知识的应用能力；布鲁斯·乔伊斯等[7]提出了“项目驱动，理论与实践结合”观念，提高了教学模式的灵活性，在此基础上，李子健[8]进一步阐述了加强理论与实践结合的重要性。然而，上述模式难以切实触动学生心灵，且在工程属性较强的专业课程中表现尤为明显。究其根本原因在于：培养专业能力所依赖的客观长期主义与信息流量化、知识碎片化背景下教师/学生追求“短、平、快”学习收益的主观功利主义存在难以调和的矛盾[9-10]。

本文积极尝试了“实战优先”的教学理念与模式。不同于传统课程设计等教学实践环节，“实战”核心在于“求真”，即课程讲授与考核内容直接取材于真实产业应用或科研任务，帮助学生切实了解行业实际需求，学会思考复杂工程问题，体验实际工程开发经历，提升专业素养。具体而言，“实战”期间不向学生提供任何实验指导材料，不预设标准答案，仅进行线下交流指导，引导学生树立“任务导向”“目标导向”与“问题导向”三大牵引性意识，避免行为盲目，高压迫使学生全域体验“理解实战任务”“拆解任务内容”“发现痛点问题”“分析技术局限”“解决技术难题”“严谨实操验证”与“闭环书面表达”等实战环节，以实战任务反向激励学生自主强化所学知识，主动探索未知却必需的专业概念。本文以FPGA设计与应用课程（同“数字逻辑设计”，以下简称“FPGA”）为“实战优先”教学模式改革的探索载体。在北京信息科技大学电子信息工程专业的专业课程体系中，FPGA课程有显著的承上启下作用。本文将从现行教学内容、课程改革方案、改革质量评价等方面阐述新教学模式的探索情况。

二  现行教学内容

FPGA在本专业培养方案中为专业选修课，实际授课人数为对应学年电子信息工程专业学生总人数（约100人），共32学时。课程理论部分主要讲解FPGA开发工具、FPGA芯片基本结构、硬件描述语言、常用数字电路的VHDL语言及FPGA电路系统设计等内容。实验操作分为FPGA集成开发工具使用、组合逻辑电路设计、分频器设计及数字电子系统设计。

然而，现行课程概述冗长，易降低学生学习兴趣，核心授课内容“注重语法、忽视思维、疏于实践”。在语法方面，学生被迫过分关注大量难理解、难记忆的语法规则，学习精力被大量占据。在编程思维方面，FPGA编程的本质是“面向底层硬件”，需要设计者事先要有所设计电路的功能性“腹稿”或“时序图”。因此，硬件设计思维的缺失必将使得学生面对实际问题无从下手。在实践环节，实验设置的数字系统功能相对单一，设计指导过程过于详细，学生懒于深入思考。

三  教学改革措施与实践

针对现行FPGA课程讲授局限性问题，本文探索“实战优先”FPGA教学模式，将真实工程案例引入教学及实验设计过程，旨在以高压实战任务重塑学生工作态度，反向强化所学知识，最终养成积极主动的学习习惯。基于上述动机，本课程在容量配置、教学内容、考核评价与课程思政方面进行调整。

（一）  教学课程容量压缩

课程容量由100余人压缩至30人（约占专业总人数的30%），由学生根据自身专业选修课学分累积情况自愿选修。压缩课程容量出于两方面考虑。首先，整治浮夸学风，端正治学态度。全员选修会夹杂高比例“混学分”学生，加重教学负担。相比之下，压缩容量能筛选出更多对课程感兴趣的学生，也有利于开展教学实践分析。其次，压缩沟通成本，提升沟通效率。“实战优先”的教学改革强调以实际工程任务、难点问题与技术指标为导向，需要教师与学生积极沟通。但FPGA开发周期长、调试流程繁琐，单次设计修改/验证等待耗时可达小时级，实践环节无效工作时长随学生人数成倍增加。为保证教学质量，必须压缩课程容量。

（二）  教学内容结构调整

针对现行授课的绪论内容冗长、核心内容“注重语法、忽视思维、疏于实践”的问题，本次教学改革尝试在绪论部分开门见山、总揽全局，核心部分将理论和实践密切结合，不再单独耗费课时讲授硬件描述语言。需要强调的是，本次探索的“实战优先”教学模式并非摒弃基础理论知识讲解，而旨在以实际任务激发学生深入思考，强化基础知识。调整后的教学内容如下。

1  绪论

课程开篇直接以FPGA实物为教学材料，概述FPGA概念、内部结构、计算特性及设计/调试流程。对于难度最大的设计/调试部分，从具有“顶层模块—子模块”逻辑结构的FPGA“自顶向下”设计思想出发，阐述其与“发现问题—分析问题—解决问题”的工程逻辑相似性，向学生强调培养顶层思维意识的重要性。

2  数字逻辑基础

通过“二进制表示与苹果物流配送”师生互动和Verilog程序点LED灯案例，帮助学生理解数字逻辑的核心要义：基于二值逻辑可实现物理世界信号模式的确定性表达，由此引出数字逻辑设计教学，扫盲拉、灌电流和电平转换等基础知识，解决学生对于前置数电课程知识理解不到位的问题。此外，教师用Verilog语言描述常用数字逻辑单元，让学生意识到：数字逻辑的硬件语言描述比图形符号更精准而无二义性。通过将硬件描述语言与数电知识相结合，学生有兴趣参与实操，直接在课堂上熟悉了FPGA开发工具与硬件描述语言。

3  组合逻辑设计

教师首先阐述组合逻辑的核心概念（如竞争-冒险）及常见组合逻辑电路案例（如加法器、减法器及多路选择器等），并鼓励学生在课上独自完成加法器、减法器以及3-8译码器的Verilog硬件描述，促使学生强化理解基于Verilog的组合逻辑设计规则。此外，引入真实工程项目中与3-8译码器逻辑相关的排故案例，旨在向学生阐明：死记组合逻辑真值表对于解决实际问题并无意义，关键在于培养将RTL行为逻辑与故障现象联系起来的敏感意识。

4  时序逻辑设计

教师首先阐述时序逻辑的核心概念，接着重点讲授基于Verilog描述或调用的4种关键时序逻辑电路：D触发器、RAM/FIFO缓存、计数器以及有限状态机。其中，基于D触发器的延时打拍案例旨在强调FPGA并行流水的计算特性；RAM/FIFO则是稍大容量的数据延时缓存，常用于配合更复杂的平行流水计算；基于计数器的时钟分频案例能够教育学生如何基于FPGA进行顺序执行控制；有限状态机则是一种面向复杂顺序执行过程的典型方法。此外，引入真实工程项目中与计数器、缓存逻辑相关的数传丢帧排故案例，旨在向学生阐明，系统的时序逻辑源于精心设计，而非“盲目硬凑”，否则排故将付出高昂的时间与精神代价。