《數(shù)字電子技術(shù)》課程改革實(shí)踐

鄭恭明，佘新平（長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023）

為適應(yīng)科技發(fā)展，滿足社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的要求，長(zhǎng)江大學(xué)提出了 “育人為本，理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)并重，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展”的教學(xué)理念。為了培養(yǎng)適應(yīng)生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)一線需要的高等技術(shù)應(yīng)用性人才；制定了以培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用能力為主線的知識(shí)、能力、素質(zhì)結(jié)構(gòu)的培養(yǎng)方案，構(gòu)建以 “應(yīng)用”為主旨和特征的課程教學(xué)體系，重視學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)［1，2］。

《數(shù)字電子技術(shù)》是電子、通信、機(jī)電類(lèi)等專業(yè)的核心技術(shù)基礎(chǔ)課及必修課。由于EDA技術(shù)、大規(guī)模集成電路，特別是可編程器件的高度發(fā)展，數(shù)字技術(shù)知識(shí)的更新速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于整個(gè)科技領(lǐng)域發(fā)展的平均速度，信息時(shí)代正是以數(shù)字化為基本特征，通信、計(jì)算機(jī)、航天、醫(yī)學(xué)、工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域都在應(yīng)用數(shù)字技術(shù)，所以對(duì)以數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)和應(yīng)用為主要教學(xué)內(nèi)容的 《數(shù)字電子技術(shù)》課程提出了更高的要求。為此，筆者結(jié)合學(xué)校實(shí)際，在理論教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)和考評(píng)制度上進(jìn)行了探索。

1 理論教學(xué)

在課程組負(fù)責(zé)人的帶領(lǐng)下，各任課教師積極探索和實(shí)踐，并不斷總結(jié)和完善，出版了 《數(shù)字電子技術(shù)》理論教材［3］，并對(duì)教材里的實(shí)例和各種應(yīng)用進(jìn)行了Proteus仿真，不斷完善課程PPT課件。理論教學(xué)改革主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

1.1 強(qiáng)調(diào)以基礎(chǔ)為核心的理論課程內(nèi)容安排

電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，數(shù)字電子電路的構(gòu)成方式從早期的以邏輯門(mén)、觸發(fā)器為基礎(chǔ)，發(fā)展到現(xiàn)在以集成電路為基礎(chǔ)，其常用分析和設(shè)計(jì)手段從早期的邏輯表達(dá)式、卡諾圖等，發(fā)展到現(xiàn)在以EDA計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)為主流，數(shù)字電子技術(shù)的知識(shí)體系也日益龐大。但從根本來(lái)說(shuō)，《數(shù)字電子技術(shù)》課程講述的是數(shù)字電子電路在分析、設(shè)計(jì)方面的基本知識(shí)、基本方法和基本思想。因此，理論教學(xué)上以基本概念和基本應(yīng)用為主，著重于外部邏輯功能描述、分析和典型應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)外特性和重要參數(shù)，淡化電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這樣安排組織課程內(nèi)容的目的是為了讓學(xué)生了解和掌握更多的關(guān)于數(shù)字電子技術(shù)的基本理論、基本分析方法和基本應(yīng)用技能。讓學(xué)生知道，雖然電路的具體形式是變化無(wú)窮的，但是分析和設(shè)計(jì)電路所用到的 “三基”是始終不變的，這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)中才能 “透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)”，從眾多的知識(shí)點(diǎn)中找到最重要的部分，以不變應(yīng)萬(wàn)變。

1.2 重視知識(shí)的體系化

《數(shù)字電子技術(shù)》的知識(shí)點(diǎn)很多，學(xué)生在初學(xué)時(shí)不容易抓住主線和搞清各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，容易失去學(xué)習(xí)的信心和興趣。因此在教學(xué)中要特別重視知識(shí)的體系化。這種體系化教學(xué)從2個(gè)方面入手：首先，在緒論課上，通過(guò)對(duì)學(xué)科發(fā)展歷史和應(yīng)用領(lǐng)域的介紹，并對(duì)各個(gè)章節(jié)的內(nèi)容和作用簡(jiǎn)要說(shuō)明，使學(xué)生在學(xué)習(xí)具體知識(shí)點(diǎn)之前，了解數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展、知識(shí)體系和各種應(yīng)用，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)的積極性；其次，在課程之初列舉一個(gè)實(shí)例—— 《瓶裝生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)》，讓學(xué)生有一個(gè)系統(tǒng)化的概念和各章節(jié)內(nèi)容在該系統(tǒng)中的作用。并在以后各個(gè)章節(jié)講解過(guò)程中，對(duì)應(yīng)該系統(tǒng)中的相關(guān)部分進(jìn)行學(xué)習(xí)，注意承上啟下，將章節(jié)內(nèi)和章節(jié)間的內(nèi)容串聯(lián)起來(lái)，幫助學(xué)生理清知識(shí)的 “點(diǎn)、線、面”。這樣，既有利于學(xué)生掌握基本知識(shí)和基本方法，又建立了系統(tǒng)的概念。

1.3 運(yùn)用多媒體和傳統(tǒng)方式結(jié)合的課堂教學(xué)

在課堂上恰當(dāng)運(yùn)用必要的現(xiàn)代教育技術(shù)和信息資源，可解決單純的黑板板書(shū)和口頭講解的固有不足，如繪制大量圖表和電路費(fèi)時(shí)費(fèi)力、不利于教學(xué)中知識(shí)點(diǎn)的前后對(duì)比和復(fù)習(xí)引用、抽象的原理和具體的電路或元器件不易演示等。 “多媒體”不僅僅指PPT課件，還包括圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻、音頻演示、EDA仿真軟件的直觀演示等等。PPT課件結(jié)合各種其他媒體，特別是仿真軟件的演示，能有效提高課堂效率和學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，如展示大量各種規(guī)格、型號(hào)的電子元器件實(shí)物圖，實(shí)例的仿真和各種電子系統(tǒng)電路、實(shí)物等。多媒體教學(xué)不僅方便快速，信息量大，而且會(huì)讓學(xué)生有更直觀的認(rèn)識(shí)，能看到所學(xué)課程與實(shí)際應(yīng)用的關(guān)聯(lián)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。如在講解譯碼器74LS138時(shí)，用Proteus軟件界面上直觀地演示編碼信號(hào)和譯碼信號(hào)之間的關(guān)系并顯示出來(lái)，通過(guò)對(duì)照真值表改變電路狀態(tài)，查看電路輸出的變化。一方面可以幫助學(xué)生理解芯片的功能，另一方面可以給學(xué)生更接近實(shí)驗(yàn)環(huán)境的演示效果，使學(xué)生在后續(xù)的實(shí)踐環(huán)節(jié)能迅速上手。而在公式推導(dǎo)和實(shí)例的分析，使用黑板板書(shū)來(lái)完成，以避免講課速度太快，學(xué)生跟不上，從而影響上課效果。因此，各種教學(xué)方式的應(yīng)用圍繞教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)為核心，揚(yáng)長(zhǎng)避短是關(guān)鍵。

2 實(shí)踐教學(xué)

依托國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，對(duì)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、內(nèi)容、方法手段進(jìn)行改革，構(gòu)建了滿足電類(lèi)和非電類(lèi)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求的硬件平臺(tái)，推進(jìn)“以需求為導(dǎo)向，與興趣相結(jié)合，以能力培養(yǎng)為重點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革，實(shí)施了 “四結(jié)合一開(kāi)放”（理論與仿真結(jié)合、仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合、實(shí)驗(yàn)與工程結(jié)合、工程與創(chuàng)新結(jié)合，實(shí)驗(yàn)室完全開(kāi)放）的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)、工程實(shí)際和素質(zhì)教育有機(jī)結(jié)合［1］。

2.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)定

數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)采用了基本驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，并引入可編程邏輯器件突出基本知識(shí)、方法和思想應(yīng)用，著重對(duì)器件邏輯功能的描述、分析和應(yīng)用，鍛煉和提高學(xué)生數(shù)字電路的安裝及調(diào)試技能。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇上強(qiáng)調(diào)內(nèi)容的針對(duì)性、應(yīng)用性、實(shí)踐性和實(shí)際操作性。學(xué)時(shí)上減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增加綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比重；減少中小規(guī)模集成電路實(shí)驗(yàn)，增加可編程器件實(shí)驗(yàn)比重。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)類(lèi)型安排見(jiàn)表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)施

根據(jù)實(shí)驗(yàn)示范中心 “四結(jié)合一開(kāi)放”的教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)課程全部實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，學(xué)生根據(jù)課程進(jìn)度自由預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間及對(duì)應(yīng)的老師。雖然實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)課，但理論課教師全程參與，進(jìn)度一致，實(shí)踐與理論緊密結(jié)合，使學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)中既能提高運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的能力。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)把查閱器件手冊(cè)和閱讀技術(shù)資料作為學(xué)生必須掌握的基本技能；綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷設(shè)計(jì)理論講解——EDA仿真（Proteus和QuartusⅡ）——電路安裝調(diào)試——驗(yàn)收，在此過(guò)程中鍛煉了學(xué)生分析、解決問(wèn)題的綜合能力和工程實(shí)踐能力。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行課外電子小制作，積極參與電子設(shè)計(jì)相關(guān)競(jìng)賽，增加動(dòng)手能力鍛煉機(jī)會(huì)，也能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)類(lèi)型安排

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制

以 “保證基礎(chǔ)、體現(xiàn)先進(jìn)、聯(lián)系實(shí)踐、引導(dǎo)創(chuàng)新”為指導(dǎo)思想，以數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試為主線，并引入可編程邏輯器件編寫(xiě)了實(shí)驗(yàn)教材 《數(shù)字電路設(shè)計(jì)·仿真·測(cè)試》［4］，設(shè)計(jì)了中規(guī)模集成電路實(shí)驗(yàn)箱和FPGA實(shí)驗(yàn)箱［5］，所有開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)均可在這2個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)完成。

3 考評(píng)制度

由于學(xué)校電類(lèi)專業(yè)人數(shù)較多，每年均在500人，非電類(lèi)專業(yè)人數(shù)在400人左右，任課教師多。為了對(duì)教學(xué)質(zhì)量的檢查與評(píng)估有一個(gè)較統(tǒng)一的考核標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)行教考分離，建立符合教學(xué)大綱試題庫(kù)，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)明確，統(tǒng)一出卷，教師共同流水閱卷，并重視試卷分析，有助于教學(xué)質(zhì)量的提升和教師自身業(yè)務(wù)素質(zhì)的提高。

實(shí)驗(yàn)課的考評(píng)，分為實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)，按7∶3比例生成單個(gè)實(shí)驗(yàn)成績(jī)，總成績(jī)由單個(gè)實(shí)驗(yàn)成績(jī)按課時(shí)比例累加。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，現(xiàn)階段學(xué)校數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)改革使得學(xué)生的工程設(shè)計(jì)及實(shí)踐動(dòng)手能力得到了明顯增強(qiáng)。但是，課程改革是一項(xiàng)復(fù)雜而長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，需要學(xué)校的大力支持和任課教師對(duì)課程進(jìn)行綜合、系統(tǒng)、長(zhǎng)期的研究和完善，才能與時(shí)俱進(jìn)，培養(yǎng)出符合社會(huì)需求的應(yīng)用型人才。

［1］余厚全，吳社興，羅炎林，等.地方高校創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的改革與實(shí)踐 ［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007，26（12）：92-95.

［2］余厚全，吳凌云，陳永軍.電子信息類(lèi)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的幾點(diǎn)思考 ［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（6）：102-104.

［3］佘新平.數(shù)字電子技術(shù) ［M］.第2版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

［4］佘新平.數(shù)字電路設(shè)計(jì)·仿真·測(cè)試 ［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

［5］鄭恭明.FPGA創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 ［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（11）：113-115.

［6］馬曉虹，尹向雷.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索 ［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（10）：172-174.

［7］江捷，王鐵流，趙影，等.依托教材建設(shè)推進(jìn) “數(shù)字電子技術(shù)"精品課程建設(shè) ［J］.中國(guó)電力教育，2012，12（237）：71-72.

［8］楊雪，王玫.CDIO在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)模式改革中的應(yīng)用 ［J］.南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2010，10（1）：65-67.

［編輯］ 辛長(zhǎng)靜