數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)的改革與探索

張?zhí)禊i，張瑋瑋，侯　君（安陽工學(xué)院，河南安陽455000）

數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)的改革與探索

張?zhí)禊i，張瑋瑋，侯君
（安陽工學(xué)院，河南安陽455000）

摘要：數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)是電子信息類相關(guān)專業(yè)的重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、創(chuàng)新能力等有積極作用。文章從一體化實驗室建設(shè)、實驗內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計、教學(xué)過程組織及考核方法等方面，對如何提高數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生個人能力，作了一系列的改革和探索。實踐證明，通過對實驗教學(xué)的改革和實施，取得了可喜的成果，學(xué)生的知識應(yīng)用能力、邏輯推理能力、動手操作能力、創(chuàng)新能力等得到了提高，達(dá)到了教學(xué)目的。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子技術(shù)；實驗教學(xué)；教學(xué)改革；教學(xué)組織

D01：10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.04.030

0引言

數(shù)字電子技術(shù)課程是本科電類相關(guān)專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，“數(shù)字電子技術(shù)”實驗教學(xué)是數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)的重要組成部分，是對課程理論教學(xué)的有益補(bǔ)充。通過實驗教學(xué)，可以使學(xué)生將理論知識和實踐應(yīng)用聯(lián)系起來，在學(xué)習(xí)理論知識的同時，學(xué)習(xí)和掌握運(yùn)用實驗手段獲取數(shù)字電子技術(shù)相關(guān)知識的基本技能，提高學(xué)生的實踐操作能力和知識應(yīng)用能力［1］。

2009年，安陽工學(xué)院（以下簡稱“我?！保┑碾娮与姎鈱嶒灲虒W(xué)中心被評為河南省實驗教學(xué)示范中心，為了與應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)相適應(yīng)，推動數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)的發(fā)展，在教學(xué)指導(dǎo)思想上堅持“以學(xué)生為本，知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高、協(xié)調(diào)發(fā)展”的教育理念和“以能力培養(yǎng)為核心”的實驗教學(xué)觀念，對數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)進(jìn)行了改革與探索。

1一體化綜合實驗室建設(shè)

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗室的儀器設(shè)備主要由TPE-D3數(shù)字電路實驗箱、模擬示波器、數(shù)字萬用表等構(gòu)成，原有實驗設(shè)備使用簡單、工作可靠，但只能進(jìn)行由中、小規(guī)模集成電路構(gòu)成的驗證性實驗和簡單的設(shè)計性實驗，對一些較復(fù)雜的實驗電路，實現(xiàn)起來比較困難。隨著數(shù)字電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字邏輯器件已由中、小規(guī)模的集成電路發(fā)展到大規(guī)模、超大規(guī)模的可編程邏輯器件，特別是近幾年CPLD、FPGA、ISP等各類新型可編程邏輯器件出現(xiàn)以及基于EDA仿真軟件的發(fā)展，原有基礎(chǔ)實驗室已不能適應(yīng)數(shù)字電子技術(shù)發(fā)展得需求，必須對實驗室進(jìn)行升級改造［2］。

實驗教學(xué)中心從2009年開始著手建設(shè)數(shù)字電子技術(shù)綜合實驗室，目前已將該實驗室建設(shè)成為能夠滿足理論教學(xué)和實驗教學(xué)需求的一體化綜合實驗室，該實驗室主要由TDS-4數(shù)字系統(tǒng)實驗箱、計算機(jī)、數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表等實驗設(shè)備以及多媒體教學(xué)設(shè)備構(gòu)成。TDS-4數(shù)字系統(tǒng)實驗箱不但可以進(jìn)行數(shù)字電路基礎(chǔ)實驗，而且增加了可編程邏輯器件實驗板，可以利用CPLD、FPGA等器件完成交通燈控制電路、數(shù)字頻率計電路等綜合性實驗。此外，還可以利用計算機(jī)進(jìn)行EDA仿真實驗和教學(xué)。一體化綜合實驗室為數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)提供了較好的實驗場所，為提高數(shù)子電子技術(shù)實驗教學(xué)的質(zhì)量提供了物質(zhì)保障。

2實驗教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)計

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗室原有實驗內(nèi)容較簡單，驗證性實驗較多，設(shè)計性、綜合性等提高性實驗較少，為了能夠更好地適應(yīng)應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的要求，在實驗教學(xué)學(xué)時不變的情況下，結(jié)合數(shù)字電子技術(shù)綜合實驗室的特點，對實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

2.1優(yōu)化驗證性實驗

驗證性實驗是為了讓學(xué)生掌握基本實驗技能和實驗方法、熟悉基本實驗儀器的使用方法、掌握實驗數(shù)據(jù)的處理方法而開設(shè)的實驗，是對理論教學(xué)的深化和補(bǔ)充［3］。在安排實驗教學(xué)內(nèi)容時，通過開設(shè)門電路邏輯功能及測試實驗，使學(xué)生熟悉基本實驗儀器的使用方法和基本門電路邏輯功能的測試方法；通過將譯碼器邏輯驗證和數(shù)據(jù)選擇器邏輯驗證兩個實驗合并為譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器的應(yīng)用實驗，將觸發(fā)器功能測試和觸發(fā)器的應(yīng)用兩個實驗合并為集成觸發(fā)器的應(yīng)用實驗，減少了驗證性實驗的個數(shù)和實驗學(xué)時。制定驗證性實驗的實驗內(nèi)容時，在驗證器件邏輯功能的基礎(chǔ)上，增加了器件的應(yīng)用內(nèi)容，使學(xué)生在驗證理論知識之后，能夠思考如何使用這些器件。例如，在集成觸發(fā)器的應(yīng)用實驗中，首先進(jìn)行74LS74（雙D觸發(fā)器）和74LS112（雙JK觸發(fā)器）的邏輯功能測試，然后進(jìn)行觸發(fā)器應(yīng)用內(nèi)容，即觸發(fā)器邏輯功能轉(zhuǎn)換和由74LS74構(gòu)成單脈沖發(fā)生器。

2.2加大提高性實驗的比例

提高性實驗包括設(shè)計性實驗和綜合性實驗，設(shè)計性實驗主要是指在教師給定實驗內(nèi)容、技術(shù)指標(biāo)和基本要求的基礎(chǔ)上由學(xué)生自行設(shè)計實驗電路、制定實驗方案，并進(jìn)行實驗實現(xiàn)的實驗；綜合性實驗主要是指學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)字電子技術(shù)的理論知識，對實驗技能和實驗方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的實驗［4］。設(shè)計性和綜合性實驗有利于充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性，提高專業(yè)知識的應(yīng)用能力和實驗技能，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識和工程觀念分析問題、解決問題的能力。在制定提高性實驗內(nèi)容時，增加了四人搶答器電路、交通燈控制電路、數(shù)字頻率計電路、汽車尾燈控制電路等設(shè)計性、綜合性實驗。通過這些提高性實驗的開設(shè)，將數(shù)字電子技術(shù)中組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路、可編程邏輯器件等理論知識和簡單數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計、EDA工具的應(yīng)用等實踐動手能力結(jié)合在一起，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實驗技能，為以后進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計打下了理論基礎(chǔ)和實踐基礎(chǔ)。

2.3增加開放性實驗

開放性實驗是在實驗室完成正常教學(xué)、科研任務(wù)的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有儀器設(shè)備、環(huán)境條件、師資隊伍等資源，對學(xué)生實行全面開放的實驗，是學(xué)生充分利用實驗資源，以實驗項目為基礎(chǔ)而進(jìn)行的有計劃、有目的的解決實際問題和實踐創(chuàng)新的活動。開設(shè)開放性實驗適應(yīng)了高等教育深化實驗教學(xué)改革的要求，是促進(jìn)學(xué)生綜合實踐能力和創(chuàng)新工作能力培養(yǎng)、提高實驗室整體效益的有效途徑［5］。在制定開放性實驗內(nèi)容時，以教師的科研項目和電子技術(shù)設(shè)計大賽為依托，以大學(xué)生科技創(chuàng)新活動為根本，以科技開發(fā)與制作為出發(fā)點，增加了智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計、溫室環(huán)境檢測與控制系統(tǒng)設(shè)計等實驗內(nèi)容，使學(xué)生有機(jī)會接觸到一些本學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展前沿的實驗項目及內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生個人素質(zhì)和能力的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3實驗教學(xué)過程的組織

3.1驗證性實驗的教學(xué)組織

驗證性實驗教學(xué)采用理論教學(xué)和實驗教學(xué)相結(jié)合的形式，教師可以采用項目式、任務(wù)驅(qū)動式、案例式等多種教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)［6］。具體做法是首先由教師給出一個實例，引出所要講解的知識點，并對知識點進(jìn)行理論講解，其次學(xué)生在教師的帶領(lǐng)下利用EDA工具（實驗室采用Multisim）對電路進(jìn)行功能仿真，對理論知識進(jìn)行驗證，然后學(xué)生自己在實驗系統(tǒng)中搭建實驗電路，進(jìn)行實物驗證，最后教師對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，并提出一些新的問題，讓學(xué)生去思考［7］。例如在講解有關(guān)譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器的有關(guān)理論知識時，教師結(jié)合譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器的應(yīng)用實驗教學(xué)內(nèi)容，首先對譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器的作用進(jìn)行講解，其次簡單分析它們的工作原理，并利用Multisim仿真軟件對譯碼器74LS139和數(shù)據(jù)選擇器74LS153進(jìn)行功能仿真，然后介紹譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器的使用方法，構(gòu)建合適的應(yīng)用電路并對電路進(jìn)行功能仿真，再引導(dǎo)學(xué)生在實驗系統(tǒng)中進(jìn)行實物搭建，完成實驗內(nèi)容。這種理論教學(xué)和實驗教學(xué)相結(jié)合的形式有利于形成良好的師生互動，有利于提高學(xué)生參與教學(xué)的積極性和主動性，并且可以適當(dāng)縮短驗證性實驗的實驗學(xué)時。

3.2提高性實驗的教學(xué)組織

提高性實驗教學(xué)采用學(xué)生為主、教師為輔的教學(xué)組織形式，在教學(xué)活動中整個實驗過程由學(xué)生獨立完成，教師只起組織和引導(dǎo)作用［8］。具體的做法是在實驗課前教師提前布置實驗內(nèi)容，使學(xué)生能夠有充足的時間進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)，熟悉實驗內(nèi)容和實驗要求，設(shè)計實驗電路和制定實驗步驟，并利用EDA工具（Multisim或Quartus II）對實驗電路功能仿真；在實驗課堂中，學(xué)生按照自己的設(shè)計方案搭建實驗電路，并按照制定的實驗步驟進(jìn)行實驗，教師在課堂中只強(qiáng)調(diào)實驗的有關(guān)注意事項，對學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行引導(dǎo)和啟發(fā)，讓學(xué)生在實際操作中去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，進(jìn)而解決問題。這種教學(xué)方式使學(xué)生成為課堂的主角，改變了學(xué)生傳統(tǒng)的“被動式”學(xué)習(xí)方式，較好地調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性，鍛煉了學(xué)生的分析問題、解決問題能力、實際操作能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。

3.3開放性實驗的教學(xué)組織

開放性實驗采用預(yù)約開放和定時開放相結(jié)合的形式進(jìn)行。預(yù)約開放是指學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況和實驗室的教學(xué)安排，與實驗管理人員和指導(dǎo)教師進(jìn)行協(xié)商，預(yù)約實驗項目和實驗時間；定時開放是實驗管理人員和指導(dǎo)教師利用雙休日、節(jié)假日等業(yè)余時間對外開放實驗室，學(xué)生可以按照開放時間預(yù)約進(jìn)入實驗室。

開放性實驗的教學(xué)過程可以分為項目確定、項目實施和項目結(jié)項三個階段，在教學(xué)過程中指導(dǎo)教師是指導(dǎo)者、管理者和監(jiān)督者，學(xué)生是實驗項目的開發(fā)者和執(zhí)行者。項目確定由指導(dǎo)教師和學(xué)生共同完成，指導(dǎo)教師結(jié)合實驗資源、實驗條件和學(xué)生能力等方面對實驗項目進(jìn)行可行性分析，制定實驗項目的主要內(nèi)容和基本要求；項目實施主要由學(xué)生完成，學(xué)生按照實驗項目的內(nèi)容和要求，充分發(fā)揮自己的主觀能動性，電路設(shè)計、元器件選擇、電路板制作、安裝調(diào)試等全由學(xué)生自主完成；項目結(jié)項是指導(dǎo)教師對學(xué)生所進(jìn)行實驗項目的驗收，結(jié)項時，學(xué)生首先對項目的主要技術(shù)路線、實驗過程和實驗結(jié)果等進(jìn)行匯報，然后由指導(dǎo)教師對實驗項目進(jìn)行檢驗和測試，最后學(xué)生就有關(guān)問題進(jìn)行答辯。實驗項目結(jié)束后，指導(dǎo)教師從實驗項目中挑選優(yōu)秀的作品參加“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽等大學(xué)生科技創(chuàng)作競賽，并組織優(yōu)秀學(xué)生參加全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、全國信息技術(shù)應(yīng)用水平大賽等競賽活動。

4實驗教學(xué)的考核

為了使學(xué)生能夠認(rèn)真對待每次實驗，調(diào)動學(xué)生上好實驗課的積極性，避免僅由實驗報告確定實驗成績的弊端，建立了以過程性評價為主要評價方式的實驗教學(xué)考核辦法。過程性評價強(qiáng)調(diào)對整個實驗過程的評價，為此，將實驗教學(xué)分成實驗預(yù)習(xí)、實驗操作和實驗報告三個過程，對這三個過程按照不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核［9］。實驗預(yù)習(xí)主要考核學(xué)生的邏輯思維和探索能力，考核標(biāo)準(zhǔn)是熟悉集成芯片的管腳排列、熟悉實驗要求和實驗內(nèi)容、能夠給出實驗電路進(jìn)行分析或設(shè)計、能夠利用EDA仿真工具對電路進(jìn)行仿真。實驗操作主要考核學(xué)生的實際動手操作能力、分析問題和解決問題能力，考核標(biāo)準(zhǔn)是能夠熟練正確使用儀器設(shè)備、能夠自行搭建實驗電路、能夠自行排除故障、實驗結(jié)論正確。實驗報告主要考核學(xué)生的報告書寫能力、知識總結(jié)能力和數(shù)據(jù)處理能力，考核標(biāo)準(zhǔn)是實驗報告內(nèi)容完整、實驗數(shù)據(jù)處理正確、能夠?qū)嶒炿娐返姆治鲈O(shè)計和操作中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析和思考、能夠總結(jié)實驗中的經(jīng)驗和教訓(xùn)。

單個實驗的實驗成績計算方法為：實驗成績= 20%預(yù)習(xí)成績+40%操作操作+40%報告成績，學(xué)生總的實驗成績計算方法為：實驗總成績=30%驗證性實驗成績+50%提高性實驗成績+20%開放性實驗成績，最后將學(xué)生個人的實驗成績按照30%的比例算入學(xué)生的數(shù)字電子技術(shù)課程成績。

5結(jié)論

數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)的改革是一項長期的工程，隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，必將對實驗內(nèi)容產(chǎn)生深刻的影響。作為省級實驗教學(xué)示范中心，通過幾年的教學(xué)探索，在實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織形式和考核方式等方面進(jìn)行了一系列的改革，將EDA技術(shù)融入到實驗教學(xué)過程中，有效地提高了實驗教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的動手能力、思維探索能力、綜合設(shè)計能力和團(tuán)隊協(xié)作能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。在最近幾年學(xué)生參加的各類競賽中，獲得全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技技能競賽二等獎1項，獲得“挑戰(zhàn)杯”河南省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎2項、二等獎2項，三等獎2項，獲得全國信息技術(shù)應(yīng)用水平大賽PCB設(shè)計特等獎1項，獲得河南省大學(xué)生機(jī)器人競賽一等獎2項、三等獎1項，在全省有較大影響。

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（責(zé)任編輯：王彥永）

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-2928（2016）04-0106-03

收稿日期：2015-09-02

作者簡介：張?zhí)禊i（1980-）：男，碩士，講師，主要從事電子技術(shù)的教學(xué)與科研工作。