模擬與數(shù)字電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

郭 翌，孔慶生，王 勇

（復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200433）

模擬與數(shù)字電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

郭 翌，孔慶生，王 勇

（復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200433）

模擬與數(shù)字電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是高校電子信息類專業(yè)的核心基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。目前，實(shí)驗(yàn)課程存在內(nèi)容陳舊，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多，綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)少的問題，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識。該文分析了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，從教學(xué)體系、方法和內(nèi)容3個(gè)方面，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了探討，提出了有效的改革措施。實(shí)踐表明，這些措施對提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的理論應(yīng)用能力和研究創(chuàng)新能力具有重要意義。

模擬與數(shù)字電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；層次化教學(xué)體系；啟發(fā)式教學(xué)方法；應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

模擬電子線路和數(shù)字邏輯基礎(chǔ)是高校電子信息類專業(yè)學(xué)生非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。兩門課程一般在本科一二年級開設(shè)，主要讓學(xué)生掌握電子學(xué)的基本知識，培養(yǎng)學(xué)生分析和設(shè)計(jì)電路的能力，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)專業(yè)知識和從事電子信息類相關(guān)工作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。課程的理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，因此需要配套的實(shí)驗(yàn)課程對理論教學(xué)加以補(bǔ)充和擴(kuò)展；通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的理解，提高學(xué)生分析、解決電路實(shí)際問題的能力。

根據(jù)復(fù)旦大學(xué)本科生通識教育和平臺教學(xué)改革的要求，模擬與數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系主要包括EDA電路仿真實(shí)驗(yàn)（模擬與數(shù)字電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)）、基于面包板的電路實(shí)驗(yàn)和基于PCB板的電路實(shí)驗(yàn)3個(gè)層次。這3個(gè)層次針對不同年級的學(xué)生，從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練到綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)，循序漸進(jìn)［1］；其中模擬與數(shù)字電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的基礎(chǔ)。通過EDA仿真軟件提供的虛擬元器件和芯片實(shí)現(xiàn)電路連接，分析和觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成從理論到原理圖設(shè)計(jì)與優(yōu)化仿真的流程，有利于和后續(xù)實(shí)際硬件實(shí)驗(yàn)的銜接；然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多僅對理論知識點(diǎn)進(jìn)行簡單驗(yàn)證，學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果，忽視電路原理和設(shè)計(jì)過程；大部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，與快速發(fā)展的電子技術(shù)和現(xiàn)實(shí)生活脫節(jié)，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新性［2］。因此，本文根據(jù)復(fù)旦大學(xué)電子信息類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)要求，對模擬與數(shù)字電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)體系、模式、方法和內(nèi)容進(jìn)行改革，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性，培養(yǎng)學(xué)生的理論應(yīng)用能力和研究創(chuàng)新能力。

1 教學(xué)現(xiàn)狀和存在問題

由于課時(shí)數(shù)的限制，模擬與數(shù)字電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一般局限于驗(yàn)證模擬電路與數(shù)字電路理論課的結(jié)論，綜合性實(shí)驗(yàn)較少。學(xué)生只要將教材上的電路圖繪制在EDA仿真軟件中就可以得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而不需要了解電路基本原理和計(jì)算公式。這樣的教學(xué)方法使得學(xué)生僅注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不主動思考和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及原因，與理論知識聯(lián)系不緊密［3］。作為應(yīng)用學(xué)科的實(shí)驗(yàn)課程，現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容陳舊，與現(xiàn)實(shí)生活中的新技術(shù)、新趨勢相差甚遠(yuǎn)，學(xué)生無法學(xué)以致用，學(xué)習(xí)的興趣和積極性難以激發(fā)；同時(shí)，電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生參與科研的早期形式，過于簡單和直觀的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，限制了學(xué)生課后的進(jìn)一步思考與拓展，不利于培養(yǎng)探索能力和研究能力。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新

2.1 構(gòu)建層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

根據(jù)理論課程進(jìn)度，優(yōu)化配套實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。將以演示性和驗(yàn)證性為主的實(shí)驗(yàn)調(diào)整為驗(yàn)證性、綜合性和設(shè)計(jì)性3個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)［4－5］，在加深學(xué)生對理論知識理解的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)能力。

作為低年級的EDA仿真實(shí)驗(yàn)，基本電路單元的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，例如一階／二階低通、高通、帶通、帶阻電路，門電路的驗(yàn)證等是必不可少的。在軟件中繪制基本單元電路圖，能夠幫助學(xué)生直觀地觀察各種電路現(xiàn)象，并更好地理解其工作原理；并且，通過簡單的調(diào)試與仿真，學(xué)生能夠初步掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法和熟練操作軟件。

綜合性實(shí)驗(yàn)在基本電路單元的基礎(chǔ)上加以擴(kuò)展，如多級晶體管放大電路、負(fù)反饋放大電路、秒表計(jì)數(shù)器等。學(xué)生除了利用電路圖分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果外，還需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，修改部分電路元器件及參數(shù)，以期達(dá)到最理想的結(jié)果［6］。綜合性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握各個(gè)器件和電路的原理功能，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和綜合實(shí)踐能力。

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)將獨(dú)立分散的知識點(diǎn)整合成一個(gè)較全面的小項(xiàng)目，比如信號波形發(fā)生電路的設(shè)計(jì)和算術(shù)邏輯單元的設(shè)計(jì)等。學(xué)生利用所學(xué)知識自行選擇元器件，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，畫出電路圖，并完成調(diào)試和測量。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生全面梳理和運(yùn)用知識點(diǎn)，鍛煉了學(xué)生綜合處理問題的能力。

經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后的層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，前后有銜接，有一定的連貫性和邏輯性，完善和豐富了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.2 探索啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

為了加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)與理論課的聯(lián)系，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課題時(shí)增加了啟發(fā)思考部分。學(xué)生不僅需要完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)得到正確結(jié)果，更要帶著問題觀察各種現(xiàn)象，進(jìn)一步思考其產(chǎn)生原因和涉及的理論知識［1］。比如在晶體管放大器實(shí)驗(yàn)中，不斷改變輸入電壓的幅度，測量其輸出電壓的最大不失真范圍。通過觀察輸出電壓波形圖的變化，理解“靜態(tài)工作點(diǎn)”對于晶體管放大器的作用；并通過改變射級電阻的值，了解相關(guān)參數(shù)對電路的影響。課后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，要求學(xué)生計(jì)算理論值，并與實(shí)際測量值進(jìn)行比較。此外，教師授課時(shí)根據(jù)知識點(diǎn)的邏輯性，開展對比教學(xué)。比如在做同步計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)時(shí)，將同步計(jì)數(shù)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與異步計(jì)數(shù)器的進(jìn)行比較，啟發(fā)學(xué)生從元器件個(gè)數(shù)、時(shí)鐘與計(jì)數(shù)器輸出信號之間的關(guān)系、競爭與冒險(xiǎn)等多角度分析兩者的異同點(diǎn)。

這種啟發(fā)式的教學(xué)方法不僅將實(shí)驗(yàn)課與理論課緊密串聯(lián)，幫助學(xué)生加深對知識點(diǎn)的理解與掌握，還給予學(xué)生更多思考的空間，引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)分析原因，將自主學(xué)習(xí)與主動思考相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生探索研究的興趣。

2.3 設(shè)計(jì)應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

作為低年級的基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)，一般均為比較小和經(jīng)典的簡單電路模塊，學(xué)生有時(shí)難以將實(shí)驗(yàn)所學(xué)到的知識與生活中的實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來；因此，必須創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用及最新的電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合［7－8］。對于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，每次課堂講解時(shí)，教師不是照本宣科式地講解實(shí)驗(yàn)步驟，而是首先介紹本電路的應(yīng)用場合和設(shè)計(jì)思路，教會學(xué)生如何根據(jù)不同的應(yīng)用選擇元器件并繪制最優(yōu)布局的電路圖。在選做實(shí)驗(yàn)部分，指導(dǎo)學(xué)生將“小模塊”改進(jìn)為具有實(shí)際功能的“大項(xiàng)目”。例如，在同步計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)中，選做實(shí)驗(yàn)部分要求將同步計(jì)數(shù)器分別改進(jìn)為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，并把兩者結(jié)合，最終形成電子秒表。學(xué)生參與選做實(shí)驗(yàn)的積極性很高，了解了每個(gè)“小模塊”的“大作用”。

對于綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，選擇與現(xiàn)實(shí)生活實(shí)例相關(guān)的內(nèi)容，如交通燈控制電路和自動售貨機(jī)等。要求學(xué)生預(yù)習(xí)時(shí)，觀察交通燈紅、黃、綠燈變換時(shí)間、順序及優(yōu)先級等，觀察自動售貨機(jī)投幣、找零和出貨的順序等，鼓勵學(xué)生將觀察到的現(xiàn)象設(shè)計(jì)在電路里，并不斷優(yōu)化改進(jìn)。將實(shí)驗(yàn)與生活有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生不僅掌握了電子領(lǐng)域的知識技能，更能學(xué)以致用，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和將所學(xué)知識靈活運(yùn)用于解決實(shí)際問題的能力。

針對部分對科研感興趣的同學(xué)，我們在課后還開放實(shí)驗(yàn)室［9－10］，在實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容基礎(chǔ)上，加入最新的前沿知識和技術(shù)，鼓勵學(xué)生自由探索，深入研究，積極參加各類電子競賽。自2010年以來，復(fù)旦大學(xué)電子工程系的學(xué)生多次榮獲全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、生物醫(yī)學(xué)創(chuàng)新競賽等全國一等獎?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練為學(xué)生在課題設(shè)計(jì)、電路軟件調(diào)試等方面打下了扎實(shí)基礎(chǔ)，為今后從事科研工作做好充足準(zhǔn)備。

3 結(jié)束語

模擬與數(shù)字電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是整個(gè)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的第一步，對于學(xué)生理解電路基本原理，提高分析能力和掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法有很大幫助。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，應(yīng)隨時(shí)引入新思想、新技術(shù)，不斷完善教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，建立完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，從而更好地培養(yǎng)電子信息類學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。

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表1 （續(xù)）

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The Teaching Reform of Analog and Digital Essential Electronic Circuit Experiment

GUO Yi，KONG Qingsheng，WANG Yong
（School of Information Science and Technology，F(xiàn)udan University，Shanghai200433，China）

The analog and digital essential electronic circuit experiment is one key experiment course for university electric majors.But the course suffers from several problems，including out－of－date projects，excessive validating and less comprehensive experiments，which can hardly motivate students’enthusiasm and creativity.The problems of the experiment course are analyzed and the reforming solutions from three aspects including teaching systems，methods and projects are proposed and discussed.These reforms effectively improve the course quality and cultivate students’learning and application ability，providing a solid foundation for their future study and research.

the analog and digital essential electronic circuit experiment；teaching reform；hierarchical teaching system；heuristic teaching method；application project

G642.0

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.036

2015－09－12；修改日期：2015－10－21

郭翌（1983－），女，博士，高級工程師，主要從事醫(yī)學(xué)圖像與信號處理的研究及實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。