《數字電子技術》教學與實驗改革的探索與實踐

雷瑞庭 宋躍 楊杰 李明旭

(東莞理工學院 電子工程學院,廣東東莞 523808)

《數字電子技術》教學與實驗改革的探索與實踐

雷瑞庭 宋躍 楊杰 李明旭

(東莞理工學院 電子工程學院,廣東東莞 523808)

在教學型本科院?！稊底蛛娮蛹夹g》教學中，依托國家特色專業(yè)建設的實施，本著“加強基礎，注重實踐，以項目驅動強化工程意識和實踐能力培養(yǎng)”的原則，從課程目標、理論教學、實驗教學的設計方面對電子信息工程、通信工程等專業(yè)的該課程教學改革進行了探索與實踐。實踐證明該建設是行之有效的，文中重點講述了該課程教學設計思想與實踐過程，同時介紹了課程設計案例及教學實踐過程。

課程教學大綱；課程設計；實踐與創(chuàng)新；實驗教學

《數字電子技術》是電類專業(yè)的重點學科基礎課程,是后續(xù)計算機原理、單片機、EDA、DSP等現代技術課程的先行必修課,具有理論性和實踐性都很強的特點[1-3]。目前教學計劃安排總學時72,其中實驗16個,課程設計1周。在教學中存在以下問題:

1)理論課時減少,教材中知識點多面廣,根據專業(yè)與方向進行處理得不多,理論分析與工程應用的矛盾明顯。

2)學生的實驗與設計能力差,特別是課程設計,滿足不了實踐創(chuàng)新的需要。

3)教師精心編寫的實驗講義與商業(yè)化的實驗箱的完美結合,現代教學手段的普及推廣,對教學質量的提高利弊參半,該如何取舍？

東莞理工學院電子信息工程專業(yè)是國家特色建設專業(yè),同時也是教育部卓越工程師培養(yǎng)計劃的實施專業(yè),該課程是校級精品課程,目前IT類工程專業(yè)學生核心專業(yè)能力基本上都定位在使用集成電路、設計集成電路、優(yōu)化系統(tǒng)結構的能力等方面[2,4-5]。數字電子技術恰恰是這些核心能力培養(yǎng)的基礎,為迎合新形勢下的需要,從人才培養(yǎng)要求出發(fā),我們對該課程在理論教學、實驗實踐方面進行了教學探索與改革。

1 改革目標

1.1 規(guī)范教學文件

按照學校統(tǒng)一部署,參照高等教育國外發(fā)達國家和地區(qū)通行的做法,設計“數字電子技術課程教學大綱”,大綱在課程目標、基本概念、設計思路、課程內容突破傳統(tǒng)教學大綱的束縛,將素質教育、能力為本的教學理念融于其中。

1.2 改進教學目標

課程定位在培養(yǎng)學生具有數字電子電路和基本脈沖電路的基本知識,以及應用這些知識進行電路的分析和設計的能力。為計算機系列課程打下基礎。在實驗項目、教學課件、課程設計等方面在考慮學生具有較扎實的理論基礎的同時,都應把培養(yǎng)學生綜合能力放在重要位置[3-4]。

1.3 修改課程目標

1)知識與技能目標:要求學生掌握數字電路的概念、邏輯代數基礎、門電路、觸發(fā)器的基本知識,較深入地理解數字組合邏輯電路、時序邏輯電路和脈沖電路的產生和整形;了解半導體存儲器件的特點、可編程邏輯器件的初步知識;熟悉A/D、D/A的工作原理以及常見的類型、特點。

2)過程與方法目標:數電教學是激發(fā)創(chuàng)新精神的源頭之一,通過對一些經典數字產品的設計和制作,激發(fā)學生對課程和電子技術領域的學習興趣,培養(yǎng)自我創(chuàng)新意識。了解現代數字系統(tǒng)設計的基本過程[4-5]。

2 理論教學改革

2.1 揚長避短合理運用現代化教學手段

圖1是本課程教學改革總體設計圖,在教學中對多媒體投影要揚其長避其短,對于各種數字電路的分析與設計案例,教學中堅持:對于邏輯電路的分析與設計,特別是時序電路,必須用粉筆在黑板上“脫稿”與學生一道“共同”來體驗分析與設計的全過程。

圖1 數電教學改革方案

2.2 從專業(yè)的應用出發(fā)，理論講授有取有舍

1)對常用的組合邏輯電路只以2個為案例(如譯碼器、數據比較器)來具體講解,重點講解分析方法、宏觀特性及應用。

2)對各觸發(fā)器重點放在分析方法、功能特點的歸納及其應用上。如JK觸發(fā)器功能歸納為“J0K0不變,J1K1翻轉,JK不同隨J變”,對于下跳翻轉的主從JK,在CLK=1期間,若JK有多次變化時,不能簡單地用以上順口溜來確定輸出,而必須用到:在Q=0時只要J=1就有Q=1,J再回到0仍有Q =1;在Q=1時只要K=1就有Q=0,K再回到0仍有Q=0。對學生來言,既要讓學生掌握上述結論,又能熟練地應用到實際的電路分析,同時要讓學生理解其分析方法。

3)對教材中的半導體存貯器、可編程器件、硬件描述語言簡介3章僅作簡單的介紹[6-8]。對門電路弱化理論性過強的微電子信號分析,而對常用芯片的輸入輸出特性、引腳處理做較強的講述分析和引導。對于555,功能表需要對照電路來分析,而后續(xù)的應用把555作為一個功能塊來分析即可。

4)對ADC轉換,在講述轉換原理時,要與量化、分辨率、精度、速度等指標聯(lián)系起來,突出應用,強調實用中特別關注的精度、位數、價格、速度、LSB、FSR、3位半等概念。

2.3 軟件仿真

鼓勵學生課外運用Multisim軟件來分析驗證電路原理,完成實驗設計的仿真,降低設計實驗環(huán)境與成本,提高實驗效率。

3 實驗教學改革

3.1 實驗教學設計

16學時的實驗設計為:驗證性3個,驗證+設計性2個,設計性1個,綜合+設計性1個,分配4學時。綜合設計性實驗和課程設計在該實驗開設的前一個月通過該校級精品課程網站發(fā)放任務書。

3.2 “無實驗講義的實驗”探索

所謂“無實驗講義的實驗”,指對于驗證性實驗、綜合性實驗、設計性實驗,沒有實驗講義,只有任務書,學生自行查資料,自己編排實驗,自己利用實驗室設備或自制的便攜設備自主進行實驗,教師負責答疑和結果考核。

3.3 課程設計改革

1)任務書的改進:課程設計選題1周,命題突出實用性、綜合性、設計性,設計任務書中主要提出設計任務、技術指標、實驗方法、報告要求、給出設計參考框圖、可供器件、實驗關鍵注意事項等,類似“無實驗講義的實驗”教學。任務書重在給學生一個提示性的引導,設計中要充分發(fā)揮學生的創(chuàng)造性思維,強調學生學習的自主性。如函數信號發(fā)生器任務書的主要內容設計如下:

一.技術指標

設計200Hz-4KHz可調的鋸齒波和階梯波產生電路,而且可以從已燒錄好的存儲器中取出正弦數據,產生正弦波形。

二.設計參考框圖如圖2。

圖2函數信號發(fā)生器的設計框圖

三.實驗方法

1.教師提供設計框圖和元件清單,學生自己查閱資料設計電路。

2.教師提供已燒錄好的存儲器。

3.學生在實驗箱上連線、調試電路、測出波形。

四.課程設計報告要求重點寫出組裝調試的內容、調試中出現的故障、原因及排除方法,總結設計電路的特點和方案的優(yōu)缺點,指出課題的核心及實用價值,提出改進意見和展望。

五.注意事項1.運放需要雙電源供電;2.調整線路前,必須先關掉電源;3.Rw1、Rw2可用實驗箱上的可調電位器。

六.可提供的元件:CD40106、DAC0832、CD40193、28c64、74LS151、uA741、74LS08、74LS00、4.7k、10k、47k、1k、0.001uF

七.擴展部份:在鋸齒波電路的基礎上設計三角波發(fā)生器、幅度控制、任意波產生。

八.提示.計數器做加法可得正向鋸齒波,做減法則輸出負向鋸齒波。交替做加減可得三角波。

2)知識技術補充:課程設計中,由于有些知識學生還未涉及,需要給學生集體指導,如《函數信號發(fā)生器設計》項目需從實用角度介紹EPROM的基本類型、三總線、存儲容量、寫入擦洗讀取方法等基本原理與使用要領;簡單說明DAC0832雙極性輸出的必要性及實現電路;28c64的內容(有正弦波、鋸齒波等)由老師燒錄好提供給學生。

3)課程設計驗收:采取現場驗收答辯的方式,從理論設計、技術實現、實驗結果上綜合考察。如《函數信號發(fā)生器設計》項目分基礎部分與擴展部分來考核,基礎部分包括基本電路原理、頻率計算與調節(jié)、信號波形參數的讀取;擴展部分包括輸出信號的幅度控制原理與實現方法,任意波形的產生原理與實現,能否利用地址循環(huán)方法實現鋸齒波到三角波的變換,正弦波信號存儲器芯片數據的獲取與燒錄等。

3.4 自制便攜式的數字電路系列實驗箱（板），拓展學生實驗的“時空”

教師帶領部分優(yōu)秀學生,制作了系列課程設計教學示范板,該板在實現基本功能和擴展功能的同時,適當地考慮了系統(tǒng)擴展,具有較多的測試點、連接插孔、撥動開關、芯片插座等,便于修改電路和測試。對鼓勵學生完成設計、工程制作、激發(fā)靈感,具有較好的示范和激勵效果。近5年來自制便攜式數字電路系列實驗箱2種近200套,廣泛用于學生的實驗、課程設計與創(chuàng)新。突破了傳統(tǒng)實驗室的“時間”、“空間”限制。

4 實踐結果及思考

通過改革實踐表明,學生的基礎知識突出了重點,分析能力與實驗實踐能力有所提高,在數字電路實驗改革中,電子工程學院經過3次調查,學生認為很好的比例分別是:97.47%、92%、97.3%。課程設計實踐結果表現為:大部分學生能基本完成功能的實現方法、器件選擇、線路設計連接、功能驗證、參數測量等,擴展部分在教師的引導下能基本完成設計與實驗。學生的綜合能力得到了有效的訓練。

通過改革,筆者認為:數字電子技術理論教學應重在電路的分析方法、集成電路的功能與應用設計上,實驗教學中“無實驗講義的實驗”、拓展學生“時空”的課外實驗設施對學生設計與動手能力的提高有著較大的推動作用。

但還存在以下問題值得思考:

1)在教材選用上,目前選用清華大學閻石《數字電子技術》第5版。筆者認為可以值得商榷,我們以突出應用和綜合能力培養(yǎng)為目標,其教材也應突出這一主題。2)數電作為專業(yè)基礎課,如何能與企業(yè)項目對接,“真槍實彈”地干？

[1] 劉銀萍,陳惠珊.“數字電子技術”實驗教學改革的探討[J].實驗室研究與探索,2006(8):981-983.

[2] 薛延俠,鄭燕.“數字電子技術”課程教學改革的探討[J].西安郵電學院學報,2006(1):116-118.

[3] 葉婭.深化數字電子技術課程教學改革[J].長江職工大學學報,2000,17(1):58-59.

[4] 黃解軍,袁艷斌,崔巍,等.創(chuàng)新型實驗教學體系的改革與實踐[J].實驗科學與技術,2007(5):80-82.

[5] 黃揚帆,甘平.電子類基礎實驗教學改革的探索[J].實驗室科學,2009(3):25-27.

[6] 曾惠霞.數字電子技術實驗實訓教學改革的探索[J].廣東技術師范學院學報,2010,31(6):59-60.

[7] 劉銀萍,王晗.數字電子技術實驗課程的改革與探索[J].實驗科學與技術,2010(5):105-107.

[8] 葉秉良,戴文戰(zhàn),楊蔚琪,等.基于"三點一線"模式建設實驗教學示范中心的創(chuàng)新思路[J].實驗室研究與探索,2007,26(9):69-71.

The Teaching and Experimental Re form in Digital Electronic Technology

LEIRu i-ting SONG Yue YANG Jie LIM ing-xu
(College of Electronics Engineering,Dongguan University of Technology,Dongguan 523808,China)

In the teaching of digital electronic technology in teaching-oriented colleges,and relying on national characteristic specialty construction,the principle of“thickening foundation,emphasizing application”was used.The teaching was designed and practiced by the design of curriculum goal,theory teaching,experiment teaching for the communications professional engineering and electronic information engineering.The practice proved that the construction was effective.In this paper teaching design,practice process,thinking were discussed,meanwhile curriculum design case and process of teaching practice were introduced.

course outline;curriculum design;practice and innovation;experimental teaching

TP301

A

1009-0312(2015)01-0104-04

2014-09-03

教育部財政部第四批高等學校特色專業(yè)建設點項目TS11659;2013年廣東省精品資源共享課建設項目;東莞理工學院2012年教學研究與改革項目;東莞理工學院2012年精品資源共享課項目。

雷瑞庭(1980—),男,湖南郴州人,學士,實驗師,主要從事電子信息工程、創(chuàng)新與實驗研究。