“電子技術(shù)實驗”教學(xué)改革的幾點思考

陳 璨， 任旭虎， 李 林， 劉復(fù)玉

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

“電子技術(shù)實驗”教學(xué)改革的幾點思考

陳 璨， 任旭虎， 李 林， 劉復(fù)玉

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

本文針對高?！半娮蛹夹g(shù)實驗”單獨設(shè)課后存在的知識系統(tǒng)化薄弱、與后繼專業(yè)課缺乏有效的銜接、教學(xué)內(nèi)容軟硬件一體化融合度不足等問題，提出了系統(tǒng)化、層次化、模塊化、專業(yè)化、軟硬件一體化的改革思路，同時對實驗的考核和實驗報告的撰寫提出了建議，希望對其它獨立設(shè)課的實驗教學(xué)具有一定的參考價值。

電子技術(shù)；實驗教學(xué)；考核方式

0 引言

隨著集成電路規(guī)模的飛速發(fā)展，電子技術(shù)在各個領(lǐng)域不斷滲透。作為電子技術(shù)實踐教學(xué)的基礎(chǔ)，國內(nèi)外許多高校針對電子技術(shù)實驗進行了深入的研究與探索，同時也開展了相應(yīng)的改革和調(diào)整[1]。針對我校當(dāng)前“電子技術(shù)實驗”教學(xué)的現(xiàn)狀和獨立設(shè)課后暴露出的問題，結(jié)合電子技術(shù)器件、電子技術(shù)設(shè)計方法及工具等方面的發(fā)展，我們從實驗內(nèi)容、實驗教學(xué)方式、實驗手段和考核方式等方面對“電子技術(shù)實驗”教學(xué)進行改革探索，努力提高學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力[2]。

1 實驗教學(xué)現(xiàn)狀及改革必要性

1.1 實驗內(nèi)容系統(tǒng)化薄弱

我校2006年開始將“電子技術(shù)實驗”獨立設(shè)課，但是長期以來該課程還是沿襲傳統(tǒng)的模式進行，實驗效果較差，其表現(xiàn)為：

(1)雖然形式上已經(jīng)從理論課中獨立出來，但僅僅是形式上的獨立，沒有根據(jù)實驗課特點自成體系，內(nèi)容安排、實驗進度、知識點學(xué)習(xí)上沒有自己的特點，仍是理論課的附庸。

(2)各個實驗相對孤立，之間沒有太多的銜接，造成學(xué)生的知識體系混亂。當(dāng)學(xué)生設(shè)計復(fù)雜題目時，往往感到很茫然，無從下手，感覺學(xué)的知識用不上，不會用。

(3)實驗內(nèi)容和進度的安排方式比較單一，無論是什么專業(yè)，也無論是普通班還是拔尖卓越班，開設(shè)的實驗都差不多，專業(yè)特點不明顯。

(4)針對每個專業(yè)，實驗內(nèi)容安排上沒考慮與后繼課程的銜接，學(xué)生學(xué)習(xí)比較盲目，目的性不明確。

1.2 軟硬件一體化的實驗缺乏融合度

以“電子技術(shù)實驗”(數(shù)字電路部分)為例，內(nèi)容大體上可以分為實際操作的硬件電路實驗和上機操作的EDA軟件實驗。傳統(tǒng)的實驗進行方式是先進行軟件仿真，然后進行實際操作，兩者基本上沒有任何交叉，這樣造成學(xué)生從概念上把兩者孤立起來，認(rèn)為軟件只是為了仿真和驗證，沒有真正認(rèn)識到兩者之間的聯(lián)系[3]。

1.3 實驗內(nèi)容沒有體現(xiàn)學(xué)生個性差異

受課時和時間的限制，現(xiàn)在的實驗課內(nèi)容安排基本上是一個班做一個實驗，選題上沒有體現(xiàn)學(xué)生的個性差異，因此沒有完全調(diào)動學(xué)生的積極性和激發(fā)學(xué)生的主動性、創(chuàng)造性，影響了實驗效果。

1.4 考核方式需要優(yōu)化和完善

現(xiàn)有的考核方式偏重于實驗結(jié)果和實驗報告，對實驗過程考核的較少，造成了學(xué)生追求速度和結(jié)果，而忽略了做實驗的真正目的。另外對實驗報告的撰寫和評價的方法也要根據(jù)實際情況做進一步的完善[4]。

2 “電子技術(shù)實驗”教學(xué)改革方案

針對“電子技術(shù)實驗”上述存在的問題，在對其它兄弟院校做了充分的調(diào)研后，結(jié)合我校的實際情況，我們提出了“模塊化、層次化”的實驗教學(xué)改革思路，提出了以能力培養(yǎng)為總目標(biāo)，以內(nèi)容結(jié)構(gòu)調(diào)整為手段，完善“電子技術(shù)實驗”教學(xué)體系，實現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的不斷提高。此項教學(xué)改革不應(yīng)單純是某一方面的改革，而應(yīng)該從時間安排、實驗內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法和考核模式等方面全面展開，下面以“電子技術(shù)實驗”(數(shù)字部分)為例進行詳述。

2.1 調(diào)整實驗內(nèi)容結(jié)構(gòu)，形成模塊化體系

按照教學(xué)大綱安排，數(shù)字電路的實驗安排應(yīng)包含以下內(nèi)容：基本門電路邏輯功能測試、組合邏輯電路設(shè)計、數(shù)據(jù)選擇器與譯碼器的應(yīng)用、集成觸發(fā)器的功能測試、計數(shù)譯碼與顯示、半導(dǎo)體存儲器和可編程邏輯器件、脈沖信號的產(chǎn)生與整形等。長期以來，這些實驗內(nèi)容只是讓學(xué)生做一些支離破碎的、缺乏聯(lián)系的實驗，不能讓學(xué)生通過實驗掌握分析一個(大型)電路系統(tǒng)的方法。這些實驗大都以中小規(guī)模電路為主，大規(guī)模數(shù)字電路實驗較少，在實驗安排上也很少考慮各個實驗相互之間的銜接與綜合，以至于學(xué)生缺少大型數(shù)字電路實驗的訓(xùn)練機會，難以培養(yǎng)出學(xué)生綜合設(shè)計電路的能力。這種實驗課程構(gòu)架已經(jīng)落后于當(dāng)代對學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、實驗技能和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求。

基于此我們經(jīng)過充分的調(diào)研，提出了模塊化的實驗教學(xué)模式。該教學(xué)模式是著眼于實驗項目之間的聯(lián)系和整體性要求，對傳統(tǒng)數(shù)字電路實驗項目進行整理和分類，精選出由幾個密切相關(guān)，層層遞進的分項目組成的、形成系列的若干實驗項目。這些實驗項目均是覆蓋知識面廣、綜合性強、具有代表性的系列化實驗[5]。例如按照學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和能力要求，把實驗內(nèi)容整合為基本門電路邏輯功能測試、組合邏輯電路設(shè)計(即原來的組合邏輯電路設(shè)計、數(shù)據(jù)選擇器與譯碼器的應(yīng)用的內(nèi)容)、時序邏輯電路設(shè)計(即原來的集成觸發(fā)器的功能測試、計數(shù)譯碼與顯示的內(nèi)容)、半導(dǎo)體存儲器和可編程邏輯器件、脈沖信號的產(chǎn)生與整形五個模塊。

以改革后的時序邏輯電路為例，通過對實驗項目進行整理和重新分類，時序邏輯電路共包含如下子項目：

(1) 集成觸發(fā)器功能測試及應(yīng)用；

(2)觸發(fā)器構(gòu)成的計數(shù)器；

(3)集成計數(shù)器構(gòu)成任意進制計數(shù)計；

(4)數(shù)字鐘電路的設(shè)計與制作。

時序邏輯電路實驗還涉及如下知識點：

(1) 熟悉基本R-S觸發(fā)器的組成和工作原理；

(2)掌握觸發(fā)器、D觸發(fā)器、J-K觸發(fā)器的邏輯功能和使用方法；

(3)掌握時序電路的分析方法；

(4)能用集成觸發(fā)器組成同步或異步計數(shù)器；

(5)用集成計數(shù)器構(gòu)成任意進制計數(shù)器；

(6)能分析和設(shè)計數(shù)字鐘電路，會制作和調(diào)試數(shù)字鐘電路。

從以上例子可以看出，隨著實驗課程的推進，實驗由簡到繁，由小規(guī)模到中規(guī)模再到大規(guī)模，最后再將這些子項目綜合起來設(shè)計成一個完整的、符合要求的整體電路。實踐證明，這樣的教學(xué)方式由淺入深、由簡到繁、層層遞進，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，不僅培養(yǎng)了學(xué)生有步驟、有節(jié)奏的設(shè)計能力，而且由于實驗項目涵蓋知識面廣泛，內(nèi)容前后聯(lián)系性強，有利于學(xué)生掌握完整的知識體系。

2.2 形成與后繼課程銜接的教學(xué)體系

我院每年有4個專業(yè)15個自然班都需要進行數(shù)字電路實驗，說明這門專業(yè)基礎(chǔ)的數(shù)字電路課程是很重要的，但是在后繼專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對數(shù)字電路相關(guān)知識的理解不深不透，運用存在嚴(yán)重脫節(jié)現(xiàn)象。究其原因，我們認(rèn)為傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗安排內(nèi)容單一，沒有考慮專業(yè)的特點，所有班級都做同樣的內(nèi)容，致使重點不突出，撕裂了數(shù)字電路與本專業(yè)的聯(lián)系，同后面的課程銜接不好，甚至對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)造成了障礙。為此我們根據(jù)專業(yè)的特點和后繼課程的需要，對實驗內(nèi)容和實驗重點做了調(diào)整，爭取在實踐環(huán)節(jié)上幫助學(xué)生完成整個知識體系結(jié)構(gòu)的建立，使學(xué)生對數(shù)字系統(tǒng)和后繼課程之間有綜合性的整體認(rèn)識。例如對于電子專業(yè)的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)了“電子技術(shù)”課程后，學(xué)生應(yīng)該重點理解半導(dǎo)體器件和放大電路的工作原理，掌握數(shù)字處理與運算的基本原理，注重數(shù)字電路基礎(chǔ)知識的拓展與深化，會利用集成數(shù)字電路芯片設(shè)計出功能較為簡單的邏輯電路，并掌握寄存器、存儲器等計算機中必須使用的器件的工作原理。這樣，為后續(xù)的“計算機組成原理”、“微機原理與接口技術(shù)”等專業(yè)課程提供理論與實踐的基礎(chǔ)。

2.3 促進軟硬件一體化實驗教學(xué)的深度融合

在這方面，我校把數(shù)字電路、EDA設(shè)計根據(jù)專業(yè)的不同進行相應(yīng)的融合和調(diào)整，相應(yīng)的實驗內(nèi)容和實驗形式也做了較大的改動：①對于基礎(chǔ)的門電路組合邏輯實驗，先進行基礎(chǔ)的硬件實驗，通過在實驗箱上選擇相應(yīng)的芯片進行連線、實現(xiàn)一定的邏輯功能，借以鞏固和檢驗理論知識。然后通過EDA設(shè)計軟件(QUARTUS II 9.0)，用軟件的方法做同樣的內(nèi)容，借以熟悉軟件的使用方法和相應(yīng)的編程語法。②對于復(fù)雜的門電路組合邏輯實驗以及時序邏輯電路，用EDA設(shè)計軟件進行邏輯功能的仿真和時序功能的仿真，在驗證無誤的情況下，再用數(shù)字電路實驗箱實現(xiàn)。③對于因芯片資源有限，數(shù)字電路實驗箱無法實現(xiàn)的組合邏輯和時序邏輯電路，首先用EDA設(shè)計軟件進行邏輯功能的仿真和時序功能的仿真，在驗證無誤的情況下，通過計算機下載到可編程邏輯器件(如FPGA 、CPLD)中，借以驗證設(shè)計的正確與否。這種實驗教學(xué)方法有較多的優(yōu)點：①學(xué)生通過傳統(tǒng)器件和可編程邏輯器件的比較設(shè)計，學(xué)習(xí)的興趣比較濃厚，學(xué)習(xí)效果比較好。②一些使用資源多，比較復(fù)雜的電路在普通實驗箱無法實現(xiàn)的情況下，用可編程邏輯器件實現(xiàn)，節(jié)約了硬件成本和時間成本。

這種實驗?zāi)Ｊ胶蛯嶒灧椒m說優(yōu)點很突出，但還有許多待改進的地方：例如所進行的實驗內(nèi)容或者是傳統(tǒng)的硬件實驗，或者是在可編程邏輯器件上實現(xiàn)的EDA實驗，基本沒有硬件電路實驗+EDA實驗這樣的實驗內(nèi)容，造成學(xué)生潛意識地把兩者分隔開，而在實際應(yīng)用中，我們常常需要實現(xiàn)傳統(tǒng)硬件電路+FPGA/CPLD這樣的電路形式，比如舊電路系統(tǒng)的改造、新電路系統(tǒng)的功能完善等。基于以上原因有必要從硬件形式、實驗內(nèi)容和實驗進行方式上進行相應(yīng)的改革。

為了加深對數(shù)字電路和EDA設(shè)計之間內(nèi)在關(guān)系的理解，我們通過改革實驗方法，用基本數(shù)字電路和可編程器件FPGA/CPLD共同來實現(xiàn)一個實驗題目，例如計數(shù)器功能。具體思路如下：在數(shù)字電路實驗箱上，利用NE555芯片和少量的電阻電容產(chǎn)生計數(shù)器所需要的脈沖信號，脈沖信號經(jīng)過簡單的限壓限幅調(diào)理電路，作為FPGA最小系統(tǒng)的時鐘輸入信號，計數(shù)器的邏輯功能通過編程利用FPGA最小系統(tǒng)實現(xiàn)。通過這種新的實驗方式，促進軟硬件一體化的實驗教學(xué)的深度融合，如圖1所示。

圖1 軟硬件一體化實驗教學(xué)改革示意圖

2.4 優(yōu)化實驗體系結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排

考慮到每個學(xué)生的基礎(chǔ)和興趣差距較大，部分學(xué)生很早就對某方面的電子制作感興趣，因此實驗內(nèi)容安排應(yīng)有層次性。除了安排必做題、選做題外，鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生自行選題、自己制定設(shè)計方案。自擬方案經(jīng)過教師審核，在實驗室客觀條件允許的情況下即可實施。這樣可以激發(fā)這部分學(xué)生的設(shè)計主動性和創(chuàng)造性。例如在時序電路設(shè)計里，部分學(xué)生可能很早就了解和掌握了觸發(fā)器原理和簡易數(shù)字鐘的設(shè)計，希望利用實驗室的條件做其他感興趣的內(nèi)容，例如利用FPGA實現(xiàn)具用聲光電等復(fù)雜功能的數(shù)字鐘。針對這種情況，我們除了鼓勵和引導(dǎo)外，還幫助他們解決一些具體困難如：外借其他實驗室的儀器和器件，給予靈活的實驗時間安排等。

2.5 改革考核方法，實現(xiàn)多種考核方式

因為“電子技術(shù)實驗”單獨設(shè)課、單獨計算成績，學(xué)生對實驗成績比較重視，所以考核的公正與否直接關(guān)系到學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。過去的考核主要是依據(jù)實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)，其次是實驗報告，這種考核方式造成一部分學(xué)生為了成績抄襲實驗結(jié)果，這對一些獨立認(rèn)真做實驗的學(xué)生來說很不公平。

對于每一單元電路實驗，前期的驗證性、簡單設(shè)計性實驗以教師指導(dǎo)為主、檢查為輔，這樣給學(xué)生一個相對寬松的實驗環(huán)境，學(xué)生可以自由設(shè)計、自由搭建和實現(xiàn)電路，使學(xué)生能靜下心來認(rèn)真設(shè)計和操作。在單元電路實驗后期，如果部分操作能力強、水平高的學(xué)生提前實現(xiàn)綜合題目的電路功能，可以直接給成績，對于其它學(xué)生，隨機從實驗題目中抽出部分內(nèi)容，按照學(xué)生學(xué)號，多人多題，重新操作以此作為實驗考評，通過這種方式可以充分調(diào)動學(xué)生的積極性，避免部分學(xué)生偷懶和抄襲。

另外以前學(xué)生每次做完實驗都要上交一份實驗報告，但據(jù)我們調(diào)查和同學(xué)們反映上的信息看，因為電子技術(shù)實驗的特殊性，前期的驗證性、簡單設(shè)計性實驗學(xué)生即使不做實驗也能寫出實驗報告來，這對學(xué)生其實是很大的時間浪費。為此我們初步打算，對每一個單元實驗，學(xué)生在最后交一份有實質(zhì)內(nèi)容的實驗報告即可，同時簡化實驗報告的內(nèi)容，讓學(xué)生把寶貴的時間用在設(shè)計電路和實現(xiàn)電路上。

3 結(jié)語

本文針對“電子技術(shù)實驗”單獨設(shè)課后存在的問題，提出了系統(tǒng)化、層次化、模塊化、專業(yè)化、軟硬件一體化的改革思路。經(jīng)過幾年來的實驗教學(xué)改革和實踐，大大提高了學(xué)生實驗的積極性和主動性，增強了學(xué)生的實踐動手能力、知識應(yīng)用能力以及創(chuàng)新能力。

[1] 薛松梅，李樹雯. 以能力和素質(zhì)為導(dǎo)向的考試改革探索與實踐[J].哈爾濱:教育探索, 2009,30(8)：41～44.

[2] 汪紅，李春密.大學(xué)物理實驗教學(xué)的初步探索[J].哈爾濱:教育探索, 2012,251(5)：71-73.

[3 郭春華.對工程力學(xué)課程教學(xué)改革的幾點思考[J].哈爾濱:教育探索，2013,260(2)：31-33

[4] 翟文權(quán)，李書旗．電子技術(shù)實驗教學(xué)改革探索[J].北京：實驗技術(shù)與管理，20l0，27(10)：139-141．

[5] 高文煥，張尊僑，徐振英等，電子技術(shù)實驗[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

Some Thoughts on the Reform of Electronic Technology Experiment Teaching

CHEN Can, REN Xu-hu, LI Lin, LIU Fu-yu

(CollegeofInformationandControlEngineering，ChinaUniversityOfPetroleum(EastChina)，Qingdao266580，China)

Based on the problems that have occurred after the Electronics Technology Experiment was set as a separate course, this paper proposed this reform ideas noted as systematical and hierarchical, modular, as well as specialized integration of hardware and software. Meanwhile, it presents some advice on the experimental assessment and report writing, hoping to present some value on the other independent experimental courses.

electronic technology; experimental teaching; inspection way

2016-06-04;

2016-11-08

山東省重點教改項目“基于能力培養(yǎng)的電工電子學(xué)課程體系與教學(xué)模式的探索與實踐”(2015Z025)；校級實驗教改項目“以綜合能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的智能數(shù)字電路實驗系統(tǒng)研制”(YJ-A201624)；校級實驗教改項目“TRIZ 理論導(dǎo)向的《數(shù)字電子技術(shù)》4C/ID 研究性教學(xué)模式探索與實踐”(YK201606) 第一作者：陳 璨(1978-)，男，碩士，實驗師，主要從事智能信息處理，計算機測量與控制的實驗教學(xué)，E-mail:upcll@163.com

G420

A

1008-0686(2017)03-0129-04