“三層次實驗”教學方法與數(shù)字電路實驗改革

劉 艷 朱昌平 宋鳳琴 楊紅雨

河海大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院 江蘇常州 213022

數(shù)字電路實驗是電子技術(shù)課程的重要組成部分，而電子技術(shù)課程是電子信息類專業(yè)的一門重要課程。作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課的實踐部分，單獨開設(shè)的數(shù)字電路實驗在該類學生的學習過程中具有重要意義：一方面是對模擬電路部分的承接，另一方面也是對今后的專業(yè)課學習和實踐做了一個鋪墊。傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗依附于數(shù)字電路課程教學，大部分只對課程內(nèi)容進行了驗證和鞏固，而忽略了數(shù)字電路實驗的鋪墊作用。學生在實驗過程中興趣普遍不高，缺乏自主學習的過程，多數(shù)學生認為數(shù)字電路實驗過于簡單，實驗過程太過程序化，從實驗課中學不到東西，不能培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力。電子技術(shù)課程教學改革課程團隊在長期的理論和實踐教學中，通過教學改革不斷摸索和總結(jié)，不斷對數(shù)字電路的實驗內(nèi)容、教學方法與方式、實驗過程進行改革，以期能適應(yīng)學生和課程發(fā)展的需求。[1-2]

1 實驗內(nèi)容的改革

為培養(yǎng)具工程實踐能力的畢業(yè)生，以適應(yīng)社會的需求，傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容和方法需要不斷地進行改革和發(fā)展。數(shù)字電路實驗需要結(jié)合工程實際，將核心內(nèi)容在實驗教學中進行層次化，使其成為有針對性、適合學生個體學習需求的實踐課程，促進學生知識、能力、素質(zhì)綜合協(xié)調(diào)發(fā)展，有利于提高學生的實踐創(chuàng)新能力。[3-4]

1.1 “三層次實驗”教學

“三層次實驗”教學分層次進行，按照難度、內(nèi)容進階，循序漸進，從基礎(chǔ)到綜合，再到設(shè)計與創(chuàng)新。[5-8]數(shù)電實驗中的“三層次實驗”教學內(nèi)容包括以下內(nèi)容。

第一層次，驗證型實驗。[9]選取數(shù)字電路理論課程中的核心性內(nèi)容，設(shè)計實驗的基礎(chǔ)電路框架，將理論教學中涉及的一些基本結(jié)論，通過搭建硬件電路、調(diào)試進行現(xiàn)象和結(jié)果的觀測和驗證。這種直觀的教學方法，使學生易于接收和鞏固理論教學中設(shè)計的內(nèi)容，激發(fā)學生的學習興趣，調(diào)動學生的實踐積極性。

第二層次，綜合性設(shè)計型實驗。結(jié)合常用的數(shù)字電路，以常用的電路原型拋磚引玉，提出功能需求。學生需要主動思考并自行設(shè)計滿足要求的電路及測試方法，主觀能動性得到調(diào)動。

譬如在計數(shù)器實驗中，教師只提供計數(shù)器的功能要求，讓學生自己去查閱資料，選擇除計數(shù)芯片之外的其他芯片及元件，不拘泥于固定元件，將原有的驗證型實驗改進為綜合性設(shè)計型實驗，使學生充分發(fā)揮自身的主觀能動性，達到提高實踐能力的目的。

第三層次，創(chuàng)新型實驗。由教師根據(jù)教學內(nèi)容提出設(shè)計題目與要求，讓學生以各種方式和途徑獲取資料，通過自學后設(shè)計所有實驗電路，選擇所需集成電路和相關(guān)元器件的參數(shù)。這一層次的實驗可以引發(fā)學生的思考與討論，讓學生自行解決實驗中遇到的問題，實踐創(chuàng)新能力得到提高。

以創(chuàng)新型實驗“數(shù)字鐘”為例，教師只需提出數(shù)字鐘的主要功能(時間調(diào)整，鬧鐘時間設(shè)置等)，提示學生可以選用的核心芯片，系統(tǒng)的原理框圖，把剩下的工作都交給學生自己去做。學生在實際操作時，根據(jù)自身的情況進行實驗，教師不加干涉，只做一定的疑難解答，充分發(fā)揮學生的自主學習、分析、解決問題的能力，讓學生獨立完成一個實際的項目，培養(yǎng)學生的知識應(yīng)用和加工能力。

1.2 實驗內(nèi)容的改革

完整的實驗教學包括預(yù)習、操作和課后反思，每一環(huán)節(jié)都要求學生將所學理論與動手實踐緊密結(jié)合起來，實驗內(nèi)容及相關(guān)素材的展現(xiàn)應(yīng)采取多樣化的方式，側(cè)重于保持學生在學習過程中的注意力。

首先，課程的教材選取應(yīng)當恰當。數(shù)字電路的理論課程選用優(yōu)秀教材，如康華光老師的《電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)》第六版，理論授課時，教師可結(jié)合自己的工程實際進行講解，引發(fā)學生學習興趣的同時也使學生保持自信，學生甚至可以利用課余時間自行設(shè)計搭建電路并驗證。

其次，為提高理論教學與實驗教學之間的契合度，配套實驗教材的選取應(yīng)注意與理論教材在內(nèi)容和深度上的配合，以及與實驗平臺之間的配合。課程團隊自制了數(shù)字電路實驗箱、自編了《電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗—數(shù)字電子技術(shù)與EDA》，結(jié)合了實驗中心的硬件特點，實驗內(nèi)容上保持理論—實驗—平臺的高度一致。

此外，由于傳統(tǒng)的實驗將硬件實驗和仿真實驗分開，這樣做分離了理論和實踐的對比，學生無法認識到二者的差別，實驗與工程實際未能緊密聯(lián)系。改革后的數(shù)電實驗教學中，每個硬件都增加一個仿真部分，內(nèi)容布置在學生的實驗預(yù)習中，先開放機房，讓學生先行仿真，能對他們的硬件實驗起到一定的指導(dǎo)作用。學生在硬件實驗前對整個實驗有一個基本的認識，操作時不會有畏懼、茫然的心理；做硬件實驗時，學生可聯(lián)系仿真結(jié)果，思考理論仿真與工程實驗的區(qū)別，引導(dǎo)學生主動發(fā)現(xiàn)、思考、解決問題。

2 教學方法與方式的改革

根據(jù)學生的學習情況不同，考慮到個性化、差異化教學的要求，實驗教學不能采取一成不變、完全統(tǒng)一的做法，在學生完成必做實驗的前提下，學生可以進入到開放式實驗室開展深層次的學習。開放式實驗室提供學生豐富的實驗項目、充足的元器件庫，學生可以自由選題或設(shè)計自己的題目進行實驗，教師提供指導(dǎo)而非教導(dǎo)，培養(yǎng)學生的自學能力，實現(xiàn)個性化教學。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展與智能信息終端的普及，教師和學生可隨時隨地的進行溝通和聯(lián)絡(luò)。借助在線課程平臺，采用多媒體手段，教師可以生動的描述課程內(nèi)容和相關(guān)學習資料，結(jié)合理論與實驗現(xiàn)象，采用各種豐富多彩的文本、動畫、音頻等，整個數(shù)電實驗可以靈活、生動、形象、直觀的在學生面前展示。課程團隊將“三層次實驗”教學理念融入在線課程平臺的學習資料中，讓學生自由選擇時間和地點觀看資料，并利用平臺進行學生與教師、學生與學生的交流、討論、答疑，實現(xiàn)交互式教學。

在數(shù)電實驗中引入NI Multisim 10軟件進行仿真，學生可以靈活操作，在實驗項目的硬件實現(xiàn)前利用仿真工具進行原理電路設(shè)計、電路功能測試；硬件實現(xiàn)后還可以再一次進行實驗電路的優(yōu)化仿真，將實驗電路做進一步改進，以做進一步提高；同時，對一些硬件電路較復(fù)雜，對元件要求較高的實驗，可以利用仿真軟件進行模擬設(shè)計和驗證，培養(yǎng)學生的工程實踐能力。

整個數(shù)字電路實驗教學分課前、課中、課后三個階段，如圖1所示。

圖1 多種教學方法手段支撐三層次實驗

3 實驗過程的改革

課程團隊提供豐富的實驗教學資源同時，采取規(guī)范的實驗教學管理，確保實驗教學質(zhì)量的穩(wěn)步提高和教學秩序的穩(wěn)定，采取實驗的“五環(huán)過程管理辦法”[5]，如圖2所示。該辦法能夠保證學生在實驗室順利地完成“三層次實驗”課程教學。

圖2 五環(huán)過程管理辦法

3.1 實驗預(yù)習

課程團隊提前一周給在課程在線平臺中開放本次實驗的內(nèi)容、原理、要求和相關(guān)的學習資料，并聲明本次預(yù)習的截止時間。學生在閱讀了所有的資料后，對硬件實驗的電路進行設(shè)計和仿真；同時結(jié)合本次實驗的注意事項，思考并解決電路設(shè)計和仿真實驗中遇到的所有問題，并將所有問題和解決辦法進行記錄。完成所有要求任務(wù)后，提交預(yù)習報告。學生在預(yù)習過程中遇到了任何問題，都可以通過在線平臺進行學生與學生、學生教師間的交流和討論。

3.2 實驗操作

學生進入實驗室后須保持秩序，根據(jù)自己設(shè)計的電路進行元器件選取、安裝、搭建及測試，并詳細記錄操作過程中的所有問題。這一過程中，教師在保證學生獨立操作的前提下可進行適當答疑，以數(shù)字電路的原理和概念啟發(fā)學生思考，使學生能夠借助自身努力完成實驗。

3.3 實驗記錄審簽與器材檢查

學生記錄實驗數(shù)據(jù)及問題時不允許更改，養(yǎng)成實事求是的科學作風。這些數(shù)據(jù)是學生進行思考總結(jié)的原始數(shù)據(jù)，它可以反映學生實驗過程中的問題、對概念和知識的理解、掌握程度。記錄的審簽不是判斷實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果的正確與否，而應(yīng)側(cè)重于學生是否認真思考和實驗。此外，完成實驗后，教師驗收合格，學生方可拆卸電路，整理實驗臺，保持良好的實驗習慣。

3.4 實驗報告

撰寫實驗報告的過程是學生的學習反思過程，學生可以對實驗和理論學習的進一步鞏固。學生在課后針對未解決的問題進行思考，借助網(wǎng)絡(luò)中的討論區(qū)等，以多種方式實現(xiàn)與教師、學生之間的對話、協(xié)商、合作，幫助自己進一步理解所學的知識。這一反思過程促進學生對知識進行深加工，進一步思考問題和現(xiàn)象的本質(zhì)，鍛煉學生的自我批判性思維和創(chuàng)造性思維。

3.5 實驗考核

在不進行考試的實驗課程中，考核標準為預(yù)習20%、實驗操作40%、實驗報告40%。實驗成績的考核應(yīng)盡量全面、公正，應(yīng)標準化、定量化。正確的評價必須評價學生解決問題的技巧，自學能力，回憶和應(yīng)用綜合知識解決問題的能力，而不是實驗是否成功、問題的答案是否正確。

4 結(jié)束語

實驗課程作為培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力的必修課，需要適合實驗中心的科學的實驗教學管理辦法、豐富有效的教學資料等融合“三層次實驗”教學理念的實驗內(nèi)容和教學方法。結(jié)合“三層次實驗”理念的數(shù)電實驗教學改革，使學生的學習、思考、操作、表達能力、工程意識和創(chuàng)新意識等方面都得到了進一步提高。這對電子信息類學生的專業(yè)課學習夯實基礎(chǔ)，很大程度上培養(yǎng)并提高了學生的自學能力、理論結(jié)合實際、思考和主動進取的創(chuàng)新精神，滿足國家特色專業(yè)及卓越工程師計劃地培養(yǎng)需求。

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