疫情中網課教學模式下“數電”實驗教學的探索與實踐

楊杰　丁文霞　胡勝　曲春曉

[摘 要]受新冠疫情影響，數字電子技術課程也陷入不能按常規(guī)方式完成實驗環(huán)節(jié)教學的困境。為此，根據數字電子技術課程的特點，項目組采用了“將實驗內容高度綜合后與理論教學融為一體、再輔以軟件仿真實現”的實驗教學模式。具體做法是：設計數個密切結合實際的綜合實驗項目，在后期的理論教學中不斷“借題發(fā)揮”展開討論、分析，同時借助網絡保持師生高頻互動，最終由學生獨立用軟件仿真完成實驗。實驗結果表明，這種方法能把實驗環(huán)節(jié)與理論教學有機地融合起來，兩者相輔相成、相得益彰，取得了良好的教學效果。

[關鍵詞]數字電子技術;實驗教學改革;計算機仿真

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）06-0090-03

一、引言

2020年初，一場突如其來的新冠疫情改變了一切，全國各類學校的正常教學秩序受到了強烈沖擊。為貫徹“停課不停學”的指導方針，我們所講授的數字電子技術（以下簡稱“數電”）課程和其他課程一樣，開展了以網課模式為核心的教學。然而，疫情的嚴重性大大超出了預期，所有的課程不得不接受這樣一個嚴酷的現實：按常規(guī)的方式在相應的時間節(jié)點內完成實驗環(huán)節(jié)的教學目標已經不可能實現。

面對這種特殊情況，當然可以采取“先理論后實驗”的方法，即先用網課的形式完成理論部分的教學，等到疫情緩解學生正常返校上課時，再按常規(guī)方式把實驗環(huán)節(jié)補齊。這樣做固然省事，也無須承擔風險，但由于學習理論知識時與實踐脫節(jié)，極有可能會影響學生學習的實際效果，且勢必要面對后期多門課程實驗都需要突擊完成的尷尬局面。

為了更好地完成教學任務，課程組教師多次進行遠程視頻會議，經過反復討論，形成了如下共識：數電是電類各專業(yè)的核心基礎課程，后續(xù)許多專業(yè)知識的學習均要以此為基礎，且數電的實踐性很強，實驗環(huán)節(jié)是該門課程教學環(huán)節(jié)中不可或缺的一個重要組成部分，只有與理論教學有機地融為一體才能保證最佳的教學效果[1];數字電路相對簡單，計算機幾乎能100%仿真出實際運行的情況，用軟件仿真基本可以達到常規(guī)實驗的效果[2]。據此，課程組教師決定，因勢利導，把“線上理論教學”和“線下虛擬仿真” 結合起來，采用“將實驗內容高度綜合后與理論教學融為一體、再輔以軟件仿真實現”的實驗教學新模式應對這次危機。具體做法是：首先設計數個密切結合實際且綜合性強的實驗項目發(fā)布給學生，在隨后的理論教學中不斷“借題發(fā)揮”，圍繞這些綜合實驗展開討論、分析，期間教師通過網絡給學生及時答疑輔導，由學生借助計算機仿真獨立完成實驗內容，最后學生上傳提交相關設計文檔、視頻供教師檢查驗收。

二、實施過程

（一）頂層精細設計

在決定改用新模式進行實驗教學后，我們首先設計了三個較綜合的實驗項目：“整點報時的數字鐘”“智力競賽搶答器”和“倒計時自動紅綠燈交通指揮系統(tǒng)”。這些項目既綜合了數電課程的主要核心內容，又與實際生活密切相關，方便學生理解，容易激發(fā)學生的興趣。比如，“整點報時的數字鐘”本質上就是數電中時序邏輯部分的典型電路——計數器，只不過增加了級聯、對時以及整點報時的內容。弄懂其原理后，還可以自由拓展升級成帶定時鬧鐘的數字鐘?！爸橇Ω傎悡尨鹌鳌笔菍W生喜聞樂見的電子產品，除了定時控制之外，主要訓練學生如何靈活、變通地使用成品的數字芯片，同時理解數電核心器件——“觸發(fā)器”的工作原理，并掌握分塊設計、調試的技巧。自由拓展的空間包括參賽選手人數的增加以及定時控制時間的延長等?！暗褂嫊r自動紅綠燈交通指揮系統(tǒng)”也是數電中時序邏輯電路部分中典型電路“計數器”的應用，訓練的內容包括級聯、溢出及置數控制等，還可以在“夜間模式”“交通高峰模式”以及“多車道信號控制”等方面進行深度拓展。

為適應學生能力存在差異、各自在家不方便互助學習的實際情況，課程組教師靈活地采用了層次化管理手段，三個實驗模塊各有側重且任務靈活可變，每個模塊在要求方面既符合教學大綱，又有進一步拓展的空間，也鼓勵學生自由發(fā)揮。學生可根據自己的能力、興趣任選一項完成，且深度可自己把握。這樣因材施教，既不會讓部分基礎差的學生因無法完成而產生抵觸心理影響實際成效，又可以讓有能力的學生吃得飽，使富有創(chuàng)造力的學生可以有更大的發(fā)揮空間[3]。

在申請上報獲批后，實驗部分的教學大綱也做了調整，并將綜合實驗的題目、實驗教學實施方案等及時傳達給了學生。

（二）控制時間節(jié)點

由于設計的實驗項目是綜合性的，其目標不僅要完成實驗內容，還要把數電的核心知識都融入其中，使理論教學與實際應用掛鉤。故教師在理論教學時不斷地“借題發(fā)揮”。如在第三章“邏輯門電路”、第五章“觸發(fā)器”的講解中，有意識地介紹現有數字集成芯片的種類及選型方法，為后期電路設計的芯片選型做鋪墊;在第四章“組合邏輯電路”和第六章“時序邏輯電路”的講解中，都以將要涉及的三個綜合項目為例，展開相關電路設計方法的教學，通過凝聚學生學習注意力的方法提升教學效果，在不增加學時的前提下，既完成了知識點的講授，同時又兼顧了實驗指導，可謂一石二鳥、事半功倍。

（三）線上詳盡輔導

計算機虛擬仿真是高效的現代設計手段，也是這次完成實驗的最終形式。為此，任課教師利用講課時章節(jié)之間的銜接點等時機，見縫插針地向學生介紹相關軟件的知識，包括使用方法、注意事項等，旨在讓學生早早就熟悉這種“神器”。

在課程的核心內容教授完成后，再用2個課時把三個綜合實驗題的設計方法、調試步驟等內容系統(tǒng)地給學生講授一遍，包括類似問題的核心電路舉例、后期調試可能遇到的難點以及需要采取的對策等。這個環(huán)節(jié)可以給初次涉及電路設計及軟件仿真的學生以實實在在的幫助。

（四）互動交流輔導

疫情期間，學生各自居家，相互之間交流受到很大限制。每個人的計算機操作系統(tǒng)不同，使用的軟件環(huán)境也各不相同，初次利用計算機仿真進行電路設計，必然會遇到各種各樣的問題。及時給學生提供個性化的幫助是新模式下完成實驗教學的必要措施。課程組教師利用網課期間早已建立好的班級QQ群、微信群等，和每位學生都建立了快捷的信息交流通道;在優(yōu)學院平臺還開設了師生交流區(qū)，任課教師采取輪班負責制，保證每天都有教師負責在線答疑。這樣，任何學生只要有需求且提出來，都會很快得到教師的響應。通過這些交流渠道，我們基本把師生之間的空間距離縮短到了“零”。

（五）學生仿真設計

軟件仿真是借助計算機的強大運算能力，用系統(tǒng)的數學模型對真實系統(tǒng)或設想系統(tǒng)進行試驗的一門技術。隨著計算機硬件及軟件水平的不斷進步，軟件仿真在科技發(fā)展中發(fā)揮出越來越大的作用，不僅大幅提高了工作效率，還降低了設計成本、縮短了開發(fā)周期，已成為現代設計不可或缺的技術手段，也是每個未來工程師必須掌握的重要技能。

能夠進行仿真數電工作的軟件很多，本次遠程實驗教學向學生推薦使用的軟件是Multisim[4]。這款仿真軟件內部具有數以萬計的建模精確的元器件模型和各類精度極高的虛擬儀器儀表，可以在計算機純軟環(huán)境中逼真地模擬出由各種電子元器件組成的電路以及儀器儀表，仿真演示各種電路的實際運行效果，且與實驗室環(huán)境下的實驗調試結果非常相近。元件庫中幾乎所有真實元器件都有PCB封裝圖與之對應，并提供了進一步進行PCB制板的輸出接口，因而具有很強的實用性。

用Multisim進行數字電路的設計驗證尤其能突顯其優(yōu)越性。由于數字電路的實驗相對簡單，用Multisim仿真，可以非常逼真地演示出實際電路的運行情況，甚至比在實驗室的面包板上搭接電路更為方便，而一切操作只需動動鼠標即可。在其自身提供的虛擬元件庫中，有全系列的各種常規(guī)數字電路產品供用戶隨意選擇使用，其還提供了各種常規(guī)儀表，包括邏輯分析儀和網絡分析儀等高級儀器儀表，甚至提供了如“字信號發(fā)生器”“邏輯轉換儀”等現實儀器中并不存在的工具，學生完全不用考慮元器件的消耗和儀器儀表資源的占用，且設計調試安全，永無損壞儀器儀表、損傷器件之慮。打開Multisim仿佛進入了一個設備齊全的高檔實驗室。其尤其適合疫情期間使用實際器件和實驗儀器不便的特殊情況，功能齊全、直觀逼真、易學易用，且使用范圍廣泛、資源豐富，使用起來十分便捷。

學生最終須提交一份獨立完成的仿真設計文檔，教師下載后可以檢查學生的完成情況，公平客觀地給予相應的成績。

（六）成果驗收檢查

為了保證最終的效果，同時也為了鍛煉學生的能力，在實驗布置之初教師就明確要求學生，提交的最終實驗成果必須包含以下幾方面的內容。

1. 撰寫實驗報告

撰寫技術文檔是現代從事科研工作人員必須掌握的基本技能，也是大學教育對學生進行訓練的一個重要內容。雖然以往的實驗也要提交實驗報告，但由于所完成的實驗內容大多沒有學生自主參與的成分，大段照抄實驗指導書的現象非常普遍。而這次實驗主要由學生自主設計完成，沒有了大段、現成的可以復制的內容，這就要求學生在撰寫實驗報告上多花點功夫，把自己的設計思路、遇到的問題以及解決的方法，包括自己的心得體會、真情實感都整理記錄下來，這正好是一次鍛煉的機會。

為了切實提高學生撰寫報告的能力，任課教師刻意提前準備了一個模板，給出了相應的大綱，要求學生從選題意義、方案選型、電路設計、調試步驟、效果總結、體會感想等方面入手，寫出真正屬于自己的、與眾不同的實驗報告;還要求學生精細排版，處理好頁眉、頁腳、封面、目錄等，對字體、字號、行距、參考文獻的寫法等都做了明確細致的規(guī)定。由于文檔通常還需要插入電路圖、表格等，學生在此過程可以得到充分的訓練。

為防止版本差異造成的排版錯誤，同時要求學生提供PDF格式的文檔，最終教師從實驗報告的內容、排版等方面給出這部分的成績。

2. 錄制露臉視頻

現在智能手機早已普及，即使在疫情形勢下錄制視頻也是一件輕而易舉的事。有了優(yōu)學院平臺的優(yōu)勢，學生上傳視頻也非常容易。每個學生在完成設計后，需要錄制并上傳一段自己設計的計算機仿真的工作視頻，在視頻中學生本人要同步講解其工作原理，且要有露臉鏡頭以驗明正身。這就更能反映學生的實際水平和參與度，有助于教師甄別優(yōu)劣、剔除假冒，學生的語言表達能力也可得到鍛煉。

3. 提交仿真文件

學生必須提交各自所設計的電腦仿真文檔，并明確所用仿真軟件名稱、版本，以方便教師驗證、檢查學生的實際完成情況。

4. 制作PPT

學生畢業(yè)后在職場上，經常會遇到項目投標匯報等場景。因此，學生針對自己的設計做匯報PPT也是一個不錯的選擇。雖然受疫情影響，這項內容只是選做，受時間限制也無法全面展開，但學生制作了PPT并在網絡平臺上共享，同樣也是一次很好的鍛煉。

三、效果分析

2020年上半年東莞理工學院電子工程與智能化學院數字電子技術這門課共有4個專業(yè)、10個班級、363名學生參加學習，所有學生全部參與了新的實驗模式的教學，最終除極個別學生外，絕大多數學生都按要求完成了項目。大家積極參與其中，不少學生不僅完成了基本內容，還把拓展任務也完成了，甚至有好幾位學生把三個項目全部都做了一遍。

從最終成績來看，有80名學生（約22%）的實驗成績?yōu)閮?yōu)，149名學生（約41%）是良好，83名學生（約23%）是中等，僅47名學生（約13%）的成績?yōu)榧案瘢缓细竦挠?名，只占約1%。最終的實驗成績分布情況見圖1。

從學生反饋來看，學生對這次的實驗教學改革接受度較高，都廣泛認同了這種疫情中網絡教學環(huán)境下新的實驗模式。與常規(guī)實驗教學相比，由于自主參與的成分較多，大多數學生參與的積極性較高。再者，疫情把學生限制在各自家庭，客觀上“濫竽充數”就沒那么容易了，這就迫使他們必須拋棄以往的依賴性，積極參與到這次的實驗中。不少學生反映，許多上課時介紹的理論知識點，在做實驗之前“似懂非懂”，而完成整個設計之后，則感覺“豁然開朗”“茅塞頓開”，并在辦公軟件的使用及視頻文檔制作等諸多方面得到了鍛煉。

四、結束語

實踐教學是一個廣闊而肥沃的育人天地，只要構建并實施了正確的實驗教學體系和培養(yǎng)模式，堅持不懈地進行探索、研究，不斷提高實踐教學質量，就一定能發(fā)揮出實驗教學在培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力方面的重要作用。

本次新冠疫情期間，面對不可抗拒的教學條件突變，我們從數電課程的特點出發(fā)，充分發(fā)揮計算機仿真的優(yōu)勢，利用網絡互動彌補空間距離的缺陷，經過縝密的頂層設計，提出并實施了“將實驗內容高度綜合后與理論教學融為一體、再輔以軟件仿真實現”的實驗教學模式，把理論教學講授與實驗項目設計有機融合，最終取得了良好的實際效果，得到學生的廣泛認可，同時獲得了廣東省本科高校在線開放課程指導委員會頒發(fā)的“疫情階段在線教學優(yōu)秀案例”省級一等獎。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王芳.淺談數字電子技術課程的教學改革方法[J].黑龍江教育學院學報，2014（6）：87-88.

[2] 吳學軍，張靜. EDA仿真設計在《數字電子技術基礎》課程教學中的應用[J].湖北文理學院學報，2013（11）：78-81.

[3] 楊杰，楊雷.“數字電子技術”多層次實驗教學模式的探索[J].東莞理工學院學報，2007（2）：97-99+105.

[4] 李響，趙耀. Multisim在數字電路實驗教學中的應用[J].信息技術與信息化，2020（2）：210-212.

[責任編輯：陳 明]