數(shù)字電子技術自主設計性實驗教學實踐及分析

李 寧, 羅琴娟, 錢 樺, 樊桂玲

(北京林業(yè)大學 工學院, 北京 100083)

實驗教學研究

數(shù)字電子技術自主設計性實驗教學實踐及分析

李 寧, 羅琴娟, 錢 樺, 樊桂玲

(北京林業(yè)大學 工學院, 北京 100083)

闡述北京林業(yè)大學工學院數(shù)字電子技術實驗的自主設計性實驗教學改革實踐的具體實施情況,分析了實施效果。實踐表明,自主設計性實驗能有效鍛煉學生的主動探索精神,并能提高學生的工程實踐能力,同時實踐教學也能推動教師不斷去學習、思考和探索,實現(xiàn)了教學相長。

數(shù)字電子技術; 實驗教學; 自主設計性

電子技術的發(fā)展日新月異,新觀念、新技術、新工藝、新器件層出不窮,“數(shù)字電子技術”的研究和實現(xiàn)方法也隨之發(fā)生變化。在實驗教學改革方面,許多學者提出了不少教改方案,如有從實驗教學內容、實驗手段和實驗考核3個方面進行的改革[1-2],還有從實驗教學方法、教學模式、教學手段等方面進行的改革[2-4],以及采用仿真設計與硬件實物電路相結合的實驗教學模式,將虛擬電子仿真軟件應用于電子技術的實驗教學中的方法[1,4-7],給學生提供更加靈活方便的實驗環(huán)境,以此激發(fā)學生的創(chuàng)造性,提高學生的動手能力和創(chuàng)新設計能力。我校工學院對“數(shù)字電子技術”課內實驗進行了改革,結合EDA技術進行自主設計性實驗實踐,鍛煉學生主動探索的精神,提高了學生的工程實踐能力。

1 自主設計性實驗特點及其設置

1.1 自主設計性實驗

設計性實驗是指實驗內容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關課程知識的一種探索性實驗[8]。自主設計性實驗在學生掌握了一定基礎理論知識和基本操作技能的基礎上進行,對學生實驗技能進行綜合訓練,培養(yǎng)學生獨立思考和綜合運用理論知識的能力。

學生根據(jù)指導教師給定的實驗項目,選擇自己感興趣的題目,根據(jù)實驗目的、任務、要求以及實驗室儀器設備現(xiàn)狀,結合所學知識,通過查閱資料,自行設計出一套完整的實驗方案,選擇合適的實驗器材加以實現(xiàn),并對實驗結果做出綜合分析與處理。

設計性實驗的性質[9]決定了其實驗內容的探索性、實驗方法的多元性、實驗手段的多樣性、人才培養(yǎng)的綜合性。

1.2 自主設計性實驗的特點

(1) 綜合性強。牽扯到本學科的許多知識點,而且要求綜合靈活應用,設計技術高、實驗難度大、數(shù)據(jù)處理較復雜[9],具有一定的創(chuàng)新分量。

(2) 靈活性強。雖然每個人的目的相同,但因思考方向不同,設計出來的實驗方案也就不同,選擇的實驗儀器也就不同,因此能夠激發(fā)學生的靈感,實驗過程不再千篇一律,按部就班。

1.3 自主設計性實驗內容的設置

設計性實驗的題目既可以由學生自選,也可以由指導教師向學生下達。實驗項目選擇原則:實驗項目緊緊圍繞教學大綱,兼具綜合性、實用性和先進性的特點;實驗過程能體現(xiàn)學生探索精神、科學思維、工程意識、創(chuàng)新意識的培養(yǎng)[10]。

設計題目不必過大,那些與專業(yè)科研方向相結合的設計性實驗項目,可以開闊學生的視野,使學生對本專業(yè)所從事的研究方向和課題有所了解,增強學生對專業(yè)的興趣和喜好,使學生的潛質得到充分的發(fā)揮。

學生要完成一個設計性實驗,從查閱資料、設計和論證實驗方案到最后實現(xiàn)實驗方案,所花費的時間長(經(jīng)統(tǒng)計,“數(shù)字電子技術”的一個自主設計性實驗所需課外時間平均約1天),所以，設計性實驗開設過多會增加學生的學習負擔,不開展設計性實驗又不利于學生創(chuàng)新意識和綜合能力的培養(yǎng),因此,設計性實驗設置的數(shù)量應少而精。

1.4 實驗方案設計與實現(xiàn)

學生根據(jù)經(jīng)驗、知識、水平和興趣選擇適合自己的題目之后開始進入實驗方案設計。學生自主設計實驗方案可以通過3種途徑:

(1) 通過圖書館、實驗室及互聯(lián)網(wǎng)獲取第一手資料,再經(jīng)過認真加工、整理、完善。

(2) 走訪實際電子產(chǎn)品賣售市場,例如北京中發(fā)電子市場,實踐調查當前各種類電子元器件,尤其是集成電路的種類與應用,甚至可以與商戶共同商討設計方案。有些商戶有一定的數(shù)字電子基礎,同時有多年的銷售經(jīng)驗,對芯片的種類、功能、性能了解都比較全面,對學生的設計方案的設定非常有幫助。

(3) 獲取教師的教學資源。經(jīng)過多年的教學經(jīng)驗和實踐,理論課教師可以提供給學生豐富的教學資源。教師立足理論技術的創(chuàng)新、開發(fā)與應用,通過多項省(校)級教育教學改革立項，開發(fā)出多種優(yōu)質教學資源,這些優(yōu)質教學資源可用于學生自主學習及仿真實驗設計、調試的演練。

2 自主設計性實驗項目教學實踐

從本?！皵?shù)字電子技術”課內實驗學時中抽出2學時進行自主設計性實驗教學,在主要授課內容結束之后為學生開放實驗室。

2.1 確定設計性題目

在教師的指導下,學生可以自主選擇相關課題進行設計、獨立組織實施并進行實驗問題分析處理和撰寫總結報告等工作。實驗內容可以來自以下幾方面的課題:

(1) 與課程教學內容的學習有機結合,從課程學習中引申出的研究課題;

(2) 開放式、探索型和綜合性實驗教學中延伸出值得進一步深入實驗的課題;

(3) 結合有關科學研究項目,可由學生獨立開展設計的課題;

(4) 由學生自主尋找與現(xiàn)代電子技術發(fā)展以及實際生活相關的趣味課題。

2.2 準備階段

以學生為本,實驗采取少講多練、盡可能一人一組的方式,讓學生有充分的動手機會。學生自己設計方案、制定實驗步驟。具體要求:

(1) 分析題意,按照設計要求,根據(jù)實驗室實驗箱、面包板以及所能提供的芯片(若不具備,可以自行購買)，繪出電路的原理框圖。

(2) 根據(jù)原理框圖,分析出電路組成的幾大模塊。

(3) 按照每一子模塊的要求,設計出電路的具體參數(shù),利用電子線路設計軟件(例如Mutisilm10)先仿真,對電路進行原理和參數(shù)上的驗證,再到實驗室搭接電路進行實物調試。

(4) 提出較完整的實驗方案,完成實驗預習報告。

2.3 開放實驗室、適時指導

實驗室實行教材、消耗器材及教具開放[11],利用現(xiàn)有相關設備,根據(jù)自己提出的實驗方案搭建和調試電路，最終實現(xiàn)電路功能。具體要求:

(1) 進入實驗室進行實際電路搭接,驗證自己設計的電路能否實現(xiàn)設計要求。要求電路通電之前核查接線,以免造成短路等事故。

(2) 在電路仿真和實際電路連接時,遵循分步調試、逐級組合、注意細節(jié)的原則。

(3) 實驗完畢經(jīng)教師檢驗方可離開實驗室。

(4) 實驗報告須包含“方案設計”、“電路原理圖”、“功能描述”以及“設計體會”。

教師對學生的指導要突出啟發(fā)性。在整個討論過程中,教師應對學生的方案作點評,在理論上給予幫助,指導學生“立題—查閱資料—確定實驗方案—許可條件下的實驗操作—調試完成”[12]。

教師對能獨立、順利、圓滿完成的學生給予鼓勵,啟發(fā)其思考更深層次的問題;對難以獨立完成實驗的學生耐心引導,指出實驗方向,多鼓勵、少批評。

2.4 指導教師對學生實驗方案的評閱

合理的考核辦法能夠端正學生的實驗態(tài)度,規(guī)范實驗過程,提高實驗教學效果。設計性實驗按“實驗態(tài)度10分,實驗方案的制定30分,實驗操作及完成情況30分,實驗報告20分,PPT答辯10分”5個方面評定,滿分為100分。期末考試作為總成績的一部分。結合PPT答辯形式提問,通過學生的回答來評判學生的知識掌握程度及其應用能力、動手實踐和創(chuàng)新能力,在最終評價中予以體現(xiàn)。

實驗態(tài)度考查學生遵守紀律情況、實驗過程中的獨立性和自主性;方案考查學生應用原理的正確性、合理性、獨特性以及創(chuàng)新性;實驗操作及完成情況考查學生對實驗過程的熟悉程度、實驗儀器使用的熟練程度、實驗數(shù)據(jù)的正確性、實驗問題的解決能力以及根據(jù)實驗方案完成實驗的質量和效果;實驗報告主要考查撰寫是否規(guī)范、數(shù)據(jù)處理是否正確、對實驗結果的分析是否合理，以及結論是否正確、完整等。

3 自主設計性實驗效果統(tǒng)計與分析

對本校電氣及其自動化11-1、11-2，自動化11-1、11-2共4個班級、110人進行了自主設計性實驗教學。以下是統(tǒng)計及分析結果:

(1) 學生自選題目多不相同,有“上課簽到器”、“編碼器”、“120進制計數(shù)器”、“128進制計數(shù)器”、“峰值計數(shù)器”、“可逆加法計數(shù)器”、“十進制編碼顯示器”、“六十進制計數(shù)器”、“360進制計數(shù)器”、“可分班級計數(shù)器” 、“140進制計數(shù)器”、“3數(shù)值比較器” 、“4位2進制乘法器”、“分秒計時器以及定時報警裝置”、“9秒倒計時器”、“ 八路搶答器”、“ 60秒計時器”、“10分鐘以內計時器功能”、“三人表決器”、“光電室內人數(shù)統(tǒng)計器”、“雙選手雙評委計分比較器”、“響鈴實驗”、“2位二進制乘法器”、“求最大值電路”、“五人表決器”、“教室進出人數(shù)計數(shù)器”、“4人搶答器”、“數(shù)字電子秒表”、“籃球24s計時器”、“籃球30s計時器”、“多人投票器”、“交通信號燈控制電路”、“門鈴電路”、“100計數(shù)器”、“3位*3位二進制乘法器”等,多數(shù)學生還是選擇了2人一組的形式,便于討論和比較實驗方案,達到共同進步的目的。

(2) 絕大多數(shù)學生自學并利用了電子設計及仿真軟件進行了原理電路設計和電路功能測試,采用先仿真后硬件實物電路相結合的實驗教學模式,極大地節(jié)省了實驗時間,提高了實驗效率。

(3) 使用芯片數(shù)量多、種類豐富，3～5片集成電路，最多用到41片,有效提高了學生對于“數(shù)字電子技術”知識的實際應用能力。學生可以自行購置實驗室不具備的集成芯片,如此,既實現(xiàn)了真正的自主設計性實驗,又給學生更廣闊的發(fā)展空間,同時也有利于學生順利完成自選題目。表1是部分統(tǒng)計結果。

表1 部分選題所用集成芯片數(shù)量統(tǒng)計

(4) 通過設計性實驗教學,許多學生得到了多方面的鍛煉?？傮w來說學生感受最深的有以下幾點:①深入了解了電路設計的程序,在設計電路方面踏出的第一步,為以后更復雜的電路設計打下了基礎,建立了自信心；②體會到了數(shù)電設計邏輯電路的不確定性,每個人的目的相同,而思考方向不同,設計出來的電路則各不相同；③細心是最重要的,整個電路的邏輯環(huán)環(huán)相扣,錯一點就要改動很大,因此,做事情一定要一絲不茍；④做自主實驗最重要的是質量和效率,要準確地畫出電路圖、查好管腳圖、做好邏輯推理,嚴格按實驗要求完成實驗；⑤提高了獨立學習、獨立解決問題、自主創(chuàng)新的素質,激發(fā)了探索新知識的濃厚興趣,還加強了動手能力。

4 結束語

通過自主設計性實驗教學改革的實踐,充分展示了自主設計性實驗教學改革的成效:

(1) 為學生綜合運用所學知識提供了良好的實驗條件,較大程度激發(fā)了學生的潛能,使學生在已掌握知識的基礎上,進行了更深層次的拓展。

(2) 在設計過程中增加了學生的實驗興趣,鼓勵了學生持續(xù)自主學習的熱情,培養(yǎng)了學生獨立思考、綜合分析、實驗動手及查閱資料的能力,也培養(yǎng)了學生的初步創(chuàng)新意識和綜合解決問題的能力。

(3) 通過此實踐教學,也鍛煉和拓展了教師的基本功,開闊了眼界。學生學會了基本設計電路、購置元器件、繪制基本原理圖以及硬件電路的搭建及調試。為今后學生參加各類電子設計競賽、機器人大賽以及物聯(lián)網(wǎng)大賽等大賽做了基本的鋪墊,同時也為學生申請大學生創(chuàng)新訓練項目提供了一定的基礎,為學生科研能力的提升提供了條件。

References)

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[2] 唐勝春,高晶敏,柴海莉，等.數(shù)字電子技術實驗教學改革探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2013(9):48-49.

[3] 王淑偉,廖洪翔.數(shù)字電子技術實驗教學改革[J].高校實驗室工作研究,2012(1):21-22.

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Practice and analysis on teaching of autonomous design of digital electronic technology experiment

Li Ning, Luo Qinjuan, Qian Hua, Fan Guiling

(School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

This article gives a detailed introduction to the practice and analysis on autonomous design of digital electronic technology experiment in BJFU.Practice indicates that the autonomous design experiment can effectively encourage students’ active investigation and improve their operating practical ability.It also propels teachers to continue to learn,think and explore.As result the students make progress as well as teachers.

digital electronic technology; experimental teaching; autonomous design

2014- 10- 09 修改日期：2014- 12- 17

2014年北京市共建項目專項資助項目“林業(yè)工程裝備與技術大學生校內創(chuàng)新實踐基地建設”

李寧(1979—),男,安徽潛山,博士,高級實驗師,研究方向為數(shù)控技術、林業(yè)機械

羅琴娟(1984—),女,江西宜豐,碩士,實驗師,研究方向為信號處理、圖像處理.

E-mail：luoqinjuan@126.com

O641;G642.0

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1002-4956(2015)6- 0161- 03