數(shù)字電子技術(shù)課程實踐能力強(qiáng)化研究*

李雙喜，王　磊，王　岳

(安徽科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233101)

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數(shù)字電子技術(shù)課程實踐能力強(qiáng)化研究*

李雙喜，王磊，王岳

(安徽科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233101)

摘要：數(shù)字電子技術(shù)作為電氣信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，強(qiáng)化學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)課程實踐能力的培養(yǎng)，對人才培養(yǎng)方案確定的培養(yǎng)目標(biāo)實現(xiàn)以及學(xué)生的數(shù)字技術(shù)創(chuàng)新能力的形成都具有積極的意義。本文以安徽科技學(xué)院高水平應(yīng)用型大學(xué)建設(shè)背景下的數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)改革實踐經(jīng)驗，闡述了強(qiáng)化學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)實踐能力培養(yǎng)的措施與方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子技術(shù)；實踐能力；實驗教學(xué)；應(yīng)用型高水平大學(xué)

數(shù)字電子技術(shù)作為電氣信息類專業(yè)一門實踐性突出的技術(shù)基礎(chǔ)課程，強(qiáng)化學(xué)生數(shù)字技術(shù)實踐能力的培養(yǎng)，對課程教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要的作用。扎實的數(shù)字電子技術(shù)實踐能力與創(chuàng)新能力也是后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要支撐，是學(xué)生實現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)運用與創(chuàng)新的基本保證[1]。

本文結(jié)合安徽科技學(xué)院2010、2013、2015版電氣信息類專業(yè)人才培養(yǎng)方案的改革與高水平應(yīng)用型大學(xué)建設(shè)的數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)實踐，探討了我校電氣信息類專業(yè)數(shù)字電子技術(shù)實踐能力培養(yǎng)的改革措施與方法[1]。

1拓展實踐環(huán)節(jié)、漸進(jìn)式培養(yǎng)實踐能力

1.1傳統(tǒng)數(shù)電實踐環(huán)節(jié)存在的問題

傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要由“課程實驗”、“課程設(shè)計”兩個主要環(huán)節(jié)構(gòu)成。其中課程實驗主要是驗證數(shù)字邏輯信號電平關(guān)系、邏輯門、中小規(guī)模組合邏輯集成電路、時序邏輯電路的邏輯功能以及時序特征，具體的進(jìn)程安排一般是配合課程的章節(jié)教學(xué)進(jìn)程實施，起到理論聯(lián)系實際、增強(qiáng)感性認(rèn)識的作用，達(dá)到掌握數(shù)字信號特征、邏輯芯片功能以及初步運用的基礎(chǔ)實踐能力。而專門設(shè)置的數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計則是以一定規(guī)模的綜合性的數(shù)字電子技術(shù)課題為研究對象，達(dá)到綜合運用各種邏輯關(guān)系以及選擇不同邏輯功能的芯片實現(xiàn)特定功能的數(shù)字單元或小型數(shù)字系統(tǒng)為訓(xùn)練目的。

僅僅依靠“課程實驗”、“課程設(shè)計”兩個基本環(huán)節(jié)實施，實踐中我們認(rèn)為存在以下問題：

1) 由于實施“平臺+模塊”模式的人才培養(yǎng)方案的實施、專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)時都有一定的壓縮，課程實驗環(huán)節(jié)的學(xué)時也相應(yīng)的縮減。

2) 由于開設(shè)的實驗的數(shù)量和實驗項目學(xué)時的限制，難以將數(shù)字電子技術(shù)常見芯片的應(yīng)用進(jìn)行深入運用，影響了學(xué)生對數(shù)字電子技術(shù)器件綜合運用能力的提升。

3) 鑒于學(xué)校對課程實踐教學(xué)的經(jīng)費劃撥是根據(jù)實驗項目的數(shù)量、實踐教學(xué)的周數(shù)、班級數(shù)進(jìn)行核定，因此僅僅依賴這兩個環(huán)節(jié)，實踐教學(xué)的材料采購基數(shù)往往不能夠滿足實際需要。從而限制了創(chuàng)新性實驗與項目的規(guī)模、復(fù)雜程度的提升，限制了實踐教學(xué)效果的提升。

4) 由于平行班級學(xué)生數(shù)的增加，且實驗、實踐指導(dǎo)教師數(shù)量以及教學(xué)工作量計算方法的限制，實驗課程和課程設(shè)計環(huán)節(jié)的開展往往采取大班進(jìn)行，因此限制了學(xué)生與教師的實踐互動交流的時間以及實踐效果。

5) 由于只有兩個實踐環(huán)節(jié)支撐學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)實踐能力的培養(yǎng)，限制了學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)實踐能力訓(xùn)練向綜合化、創(chuàng)新化、深度化方向強(qiáng)化。

1.2優(yōu)化數(shù)電實踐環(huán)節(jié)，強(qiáng)化實踐效果

為克服傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)所帶來的“實踐學(xué)時不足”、“師生實踐互動交流不充分”、“實踐教學(xué)經(jīng)費有限”、“循序漸進(jìn)性不足”、“實踐教學(xué)項目技術(shù)復(fù)雜性低”、“器件類型限制”等實際缺陷，優(yōu)化數(shù)字電子技術(shù)課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，推進(jìn)循序漸進(jìn)模式訓(xùn)練，實行課程實驗、課程綜合設(shè)計、電子工藝實踐、專業(yè)綜合實踐、專業(yè)技能訓(xùn)練層次遞進(jìn)模式進(jìn)行，配合課外競賽以及科技活動等方式不間斷推進(jìn)強(qiáng)化，可以有效解決數(shù)字電子技術(shù)實踐能力培養(yǎng)存在的弊端。表1所示是我校電氣信息類專業(yè)與數(shù)字電子技術(shù)實踐能力培養(yǎng)密切相關(guān)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

表1　安徽科技學(xué)院電氣信息類各專業(yè)數(shù)字電子技術(shù)實踐環(huán)節(jié)

2案例驅(qū)動，增強(qiáng)興趣，強(qiáng)化理實結(jié)合

興趣是最好的老師，數(shù)字電子技術(shù)傳統(tǒng)實驗項目設(shè)置從門電路的特性測試開始按照各章節(jié)的理論內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，各部分的內(nèi)容相互獨立，缺少在數(shù)字系統(tǒng)環(huán)境下的數(shù)字電路功能與價值體現(xiàn)，而課程設(shè)計由于多方面的實際原因，課程設(shè)計的項目技術(shù)復(fù)雜性也不能向深度引入。從而限制了學(xué)生對數(shù)字電子技術(shù)實踐的興趣。

2.1科學(xué)設(shè)置案例，提升自主實踐的積極性

“交通燈”、“數(shù)字時鐘”、“競賽計時器”、“慶典倒計時牌”、“LED點陣廣告牌”、“數(shù)字顯示終端”、“搶答器”、“計算機(jī)鍵盤”、“電子電壓表”、“數(shù)字血壓表”、“轉(zhuǎn)速表”等等這些數(shù)字裝置設(shè)備都是同學(xué)們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常見識的，思考為什么靠數(shù)字電子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這些，是每個學(xué)生剛接觸數(shù)字電子技術(shù)都會想自己動手嘗試實現(xiàn)的。

因此數(shù)字電子技術(shù)實踐環(huán)節(jié)案例的選取應(yīng)遵循：

1) 案例能夠體現(xiàn)典型的數(shù)字技術(shù)運用，為大家所熟悉；

2) 案例對器件的要求以案例功能模塊的實現(xiàn)為導(dǎo)向，充分圍繞所選即為所用；

3) 案例設(shè)置的技術(shù)復(fù)雜性遵循漸進(jìn)方式，由易到難，逐步提升學(xué)生實踐成功的信心；

4) 案例設(shè)置遵循層次性，體現(xiàn)數(shù)字器件、數(shù)字功能單元、數(shù)字小系統(tǒng)到復(fù)雜系統(tǒng)的延伸應(yīng)用，不斷強(qiáng)化典型數(shù)字功能單元在復(fù)雜系統(tǒng)中的運用，增強(qiáng)學(xué)生在實踐中對復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的解剖、分析、設(shè)計能力。

2.2激發(fā)實踐好奇心，強(qiáng)化解決問題的能力

例如：隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在自動化控制、精密機(jī)械加工、航空航天技術(shù)以及所有要求高精度定位、自動記錄、自動瞄準(zhǔn)等高新技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)得利了廣泛的應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件，每當(dāng)輸入一個電脈沖時，它便轉(zhuǎn)過一個固定的機(jī)械角度，脈沖一個一個地輸入，電動機(jī)便一步一步地轉(zhuǎn)動。它具有快速啟停、精確步進(jìn)、誤差不會長期積累以及能直接接收數(shù)字信號的特點，在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

圖1就是利用最常見的移位寄存器74LS194構(gòu)成一種環(huán)形計數(shù)器，在移位控制信號的作用下可以按照有效循環(huán)0001-0010-0100-1000工作，電機(jī)正轉(zhuǎn)；按照0001-0100-0010-0001工作，電機(jī)反轉(zhuǎn)。將移位寄存器的并行輸出送到步進(jìn)電機(jī)的功率驅(qū)動電路就可以直接驅(qū)動電機(jī)工作了。

圖1　74LS194實現(xiàn)四相單拍步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動脈沖分配驅(qū)動電路

再比如在通信系統(tǒng)中常常需要頻率穩(wěn)定度極高的頻率源來使用，在實際工作中可以通過PLL技術(shù)獲得高穩(wěn)定度的頻率信號。圖2使用數(shù)字PLL芯片CD4046，通過74LS90完成N分頻，74LS191完成M分頻。

圖2　計數(shù)器作為分頻器使用

因此通過與技術(shù)緊密結(jié)合的方式將數(shù)字電子技術(shù)的運用在工程實踐上的靈活運用展現(xiàn)在學(xué)生面前，促進(jìn)學(xué)生分析問題、解決問題，使學(xué)生的創(chuàng)造能夠落地生根并加以實現(xiàn)。同時能夠有效引領(lǐng)學(xué)生工程實踐能力的好奇心，強(qiáng)化解決問題的能力。

3仿真與項目訓(xùn)練并舉，完善實踐手段

學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)實踐能力的提升需要獲取一定的實踐經(jīng)驗作為基礎(chǔ)，因此改革數(shù)字電子技術(shù)實踐手段是十分重要的。目前良好的數(shù)字技術(shù)的仿真平臺為數(shù)字電子技術(shù)實踐能力的培養(yǎng)提供了不可或缺的技術(shù)保障，但是單純的仿真手段在實踐上對全面提升學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)實踐能力還是存在先天性的不足。我們認(rèn)為仿真技術(shù)與項目工程實際訓(xùn)練并舉能夠進(jìn)一步有效強(qiáng)化學(xué)生的數(shù)字電子技術(shù)的綜合實踐能力[3]。

3.1以仿真為輔，強(qiáng)化驗證與推斷

隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，目前用于數(shù)字電子技術(shù)仿真的軟件很多，常見的如EWB、Multisum、Proteus、QuartusII、Altium designer等等都可以作為數(shù)字電子技術(shù)的仿真實踐平臺運用。

虛擬的仿真平臺具有與真實的環(huán)境相似的場景，如EWB(電子工作臺)軟件以及后續(xù)版本Multisum都具有工作臺環(huán)境，布置有需要使用的虛擬儀器和電子器件，使初學(xué)者具有臨場的體會。在虛擬環(huán)境中不存在器件的配置受限、實際損失產(chǎn)生等缺陷，即使失敗可以從頭再來，直至達(dá)到理想的設(shè)計、工作效果。仿真過程中參數(shù)的調(diào)整、器件故障的設(shè)置、電路工作狀態(tài)的分析等等都十分方便。

更專業(yè)的數(shù)字電子技術(shù)仿真平臺可以實現(xiàn)對數(shù)字系統(tǒng)的性能深入分析、提供參數(shù)優(yōu)化與分析、設(shè)計代碼編譯、綜合與實配、下載等實際功能。可以有效幫助學(xué)習(xí)者在課題、項目的設(shè)計階段完善設(shè)計效果，強(qiáng)化數(shù)字電子技術(shù)實踐對理論正確性的驗證與推斷。

3.2仿真技術(shù)與工程訓(xùn)練并舉，相得益彰

任何仿真工具的工作都是基于計算機(jī)算法實現(xiàn)的，與真正器件在組成電路時存在的器件個體差異、電子線路工藝水平、器件參數(shù)差異、驅(qū)動能力、功率損耗等等方面的實際情況是無法仿真實現(xiàn)的，因此真正的數(shù)字電子技術(shù)實踐經(jīng)驗和能力必須依靠一定強(qiáng)度和范圍的實際操作強(qiáng)化才能得到有效提升。在強(qiáng)化學(xué)生課程實踐能力方面，實實在在的面對項目、課題以及案例進(jìn)行實際操作訓(xùn)練是必要的，仿真手段在實踐教學(xué)實施過程中只能作為輔助手段加以靈活運用和補充。

鑒于數(shù)字電路從20世紀(jì)的中、小規(guī)模集成電路的運用進(jìn)入到CPLD(復(fù)雜可編程)、FPGA(現(xiàn)場可編程)環(huán)境，技術(shù)含量高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)模大的數(shù)字單元或系統(tǒng)在CPLD/FPGA開發(fā)版上易于實現(xiàn)，輔助其他的傳感器模塊、顯示器件、電源模塊、執(zhí)行器等等可以方便地根據(jù)項目的實際需要進(jìn)行真實的數(shù)字電子系統(tǒng)實踐訓(xùn)練，從而強(qiáng)化學(xué)生實踐能力的提升，經(jīng)驗的總結(jié)與豐富。

根據(jù)教學(xué)實踐我們的經(jīng)驗是：

第一：設(shè)置以中、小規(guī)模數(shù)字集成電路為器件的數(shù)字系統(tǒng)(產(chǎn)品)作為先導(dǎo)，夯實以“搭積木”手段開發(fā)數(shù)字電子技術(shù)的實踐能力。實踐選取以常見的數(shù)字產(chǎn)品為基礎(chǔ)。采用全數(shù)字的方法完成。經(jīng)過這樣的項目訓(xùn)練，可以有效使學(xué)生熟悉器件的性能、邏輯功能、正確使用、參數(shù)選型、電路測試、電子工藝以及熱設(shè)計等方面的知識。

第二：以EWB、Multisum、Proteus、QuartusII、Altium designer等仿真工具作為輔助手段，可以充分利用大學(xué)生的課程課外學(xué)習(xí)、課外活動以及科技創(chuàng)新、專業(yè)競賽等環(huán)節(jié)強(qiáng)化對數(shù)字電子技術(shù)實踐能力的鞏固。由于不涉及具體的實物器件的消耗，學(xué)生設(shè)計、訓(xùn)練的自由度高，有創(chuàng)意、有項目、有思路就可以不受實驗室條件的限制進(jìn)行實踐。

第三：以現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計作為數(shù)字電子技術(shù)實踐能力的核心，運用UP-DOWN或BOTTOM-TOP的設(shè)計方法，結(jié)合數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)板進(jìn)行復(fù)雜的實際工程項目開發(fā)訓(xùn)練，從而強(qiáng)化學(xué)生作為工程師在數(shù)字電子技術(shù)實踐能力方面的培養(yǎng)。

4結(jié)論

隨著數(shù)字電子芯片的發(fā)展以及數(shù)字開發(fā)手段的進(jìn)步，不斷優(yōu)化數(shù)字電子技術(shù)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)、優(yōu)化實踐教學(xué)內(nèi)容對推動應(yīng)用型高水平大學(xué)建設(shè)背景下的數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)將產(chǎn)生積極的意義，學(xué)生在學(xué)校獲得的數(shù)字電子技術(shù)實踐能力與企業(yè)對人才的能力與素質(zhì)需求將真正對接得上。

參考文獻(xiàn)

[1]萬毅.數(shù)字電子技術(shù)實踐教學(xué)評價體系和評價方法的研究[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2013(5)：122-124.

[2]張雪平，李雙喜，張玉芝，等.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2011.

[3]吳慶暢，高聯(lián)雄，趙波.提高數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)質(zhì)量的分析[J].云南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013(S1)：143-145.

收稿日期：2015-12-10

基金項目：安徽科技學(xué)院質(zhì)量工程項目資助(XJ201222/X2014055/XJ201453)

作者簡介：李雙喜(1972- )，男，安徽懷寧人，副教授，研究方向：光電信息檢測與控制、高等教育教學(xué)管理與研究。

文章編號：1674- 4578(2016)02- 0075- 03

中圖分類號：G420；TN79

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

The Research on the Practice of Digital Electronic Technology Course

Li Shuangxi, Wang Lei, Wang Yue

(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,AnhuiScienceTechnologyUniversity,BenbuAnhui233101,China)

Abstract:Digital electronic technology is an important professional basic course for electrical information specialty; it has positive significance to the implementation of training objectives and the formation of the digital technology innovation ability by strengthening students’ ability of digital electronic technology curriculum practice. This paper expounds the measures and methods of strengthening student’s digital electronic technology and cultivating the ability of practice based on the experience of the teaching reform and construction in applied high level university.

Key words:digital electronic technology; practical ability; experiment teaching; applied high level university