數(shù)字電子技術(shù)實驗項目化教學(xué)改革與實踐

朱建華，董桂麗

(浙江科技學(xué)院 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，浙江杭州 310023)

數(shù)字電子技術(shù)實驗是數(shù)字電子技術(shù)的重要組成部分，課程涉及各種門電路、時序邏輯器件、AD/DA 轉(zhuǎn)換電路相關(guān)芯片的功能及使用，相關(guān)芯片的應(yīng)用設(shè)計，電路邏輯功能的驗證等，涉及知識點多，系統(tǒng)性和邏輯性強(qiáng)。通過實驗，鞏固了數(shù)字電子技術(shù)的理論知識；學(xué)生根據(jù)實驗方案構(gòu)建實驗系統(tǒng)，提高了學(xué)生動手能力；由于數(shù)電實驗線路相對復(fù)雜，實驗過程難免出現(xiàn)故障，學(xué)生結(jié)合故障現(xiàn)象分析故障原因并排除故障，學(xué)生的邏輯分析能力、解決實際的能力將得到鍛煉；通過撰寫實驗報告，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析、解釋與評價，并獲得合理有效結(jié)論，將進(jìn)一步提高學(xué)生撰寫報告的能力。通過該課程的教學(xué)，將提高學(xué)生多方面的綜合能力，為后續(xù)解決工程復(fù)雜問題打下堅實的基礎(chǔ)[1]。因此，課程在提高學(xué)生的技能、分析和解決實際問題的能力等方面，具有理論課堂教學(xué)所無法替代的作用[2]。

1 目前數(shù)電實驗教學(xué)的基本情況

1.1 存在的主要問題

傳統(tǒng)的數(shù)電實驗教學(xué)以操作為主，一般根據(jù)實驗教材中相關(guān)實驗項目的原理圖搭建實驗電路，然后驗證其邏輯功能，因此，學(xué)生雖然熟悉了設(shè)備的使用方法、 電路的連接和測試方法以及簡單的電路故障排除方法，但自主創(chuàng)新設(shè)計方面的內(nèi)容較少，無法通過實驗掌握工程技能和方法[3]。近幾年，我們進(jìn)行了一些改革，一方面，將綜合性實驗及設(shè)計性實驗提高到80%以上。另一方面，在教學(xué)方法和手段上也進(jìn)行了一些調(diào)整，雖取得了一定的成績，但仍存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）實驗預(yù)習(xí)問題：準(zhǔn)備不足，部分同學(xué)實驗前未進(jìn)行預(yù)習(xí)，對將要進(jìn)行的實驗不夠了解。同時，相關(guān)預(yù)習(xí)資料也比較缺乏，沒有與實驗內(nèi)容相關(guān)的工程案例、芯片參數(shù)功能及應(yīng)用范例等知識[4]。

（2）設(shè)計性實驗問題：設(shè)計性實驗相對簡單，多是一些簡單的單元邏輯電路的設(shè)計，器件一般是指定的，學(xué)生得到的訓(xùn)練不夠全面。例如，在設(shè)計多諧振蕩器電路時，電路是給定的，學(xué)生只要根據(jù)教師給定的輸出頻率和占空比確定相關(guān)元器件的參數(shù)即可。因此，學(xué)生較少有機(jī)會參與電路設(shè)計，也不了解單元實驗電路在數(shù)字系統(tǒng)的作用，這種實驗方法不利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實踐能力。

（3）數(shù)字系統(tǒng)的構(gòu)建問題：實驗單元電路涉及的知識點相對獨立的，在構(gòu)建數(shù)字系統(tǒng)時其具體應(yīng)用未在實驗中體現(xiàn)，各單元電路在構(gòu)成系統(tǒng)時的匹配問題也未在實驗體現(xiàn)。數(shù)字電子技術(shù)實驗知識點涉及常用電子元件、門電路、觸發(fā)器、計數(shù)器、譯碼器、AD/DA 轉(zhuǎn)換器等器件，涉及設(shè)備及儀器儀表的使用，單元電路涵蓋了數(shù)字電子技術(shù)的關(guān)鍵知識點，具有知識點多且相對獨立的特點，不易形成數(shù)字系統(tǒng)的概念。

（4）實驗報告的質(zhì)量一般。目前，我校涉及數(shù)電實驗的專業(yè)已有電氣工程及自動化、自動化等進(jìn)行了工程教育專業(yè)認(rèn)證，其畢業(yè)要求指標(biāo)點對實驗報告有具體明確的要求，現(xiàn)學(xué)生撰寫的實驗報告主要內(nèi)容包括實驗電路及原理、步驟、數(shù)據(jù)及波形記錄等，實驗數(shù)據(jù)解釋分析，實驗結(jié)論推斷等方面的內(nèi)容較少涉及，和工程教育專業(yè)認(rèn)證畢業(yè)要求指標(biāo)點的要求還有較大的差距。

1.2 工程教育專業(yè)認(rèn)證對教學(xué)改革的要求

近年來，為了不斷提升專業(yè)水平和培養(yǎng)質(zhì)量，加強(qiáng)工程實踐教育，全面提升人才培養(yǎng)質(zhì)量[5]，我校多個專業(yè)開展并陸續(xù)完成了工程教育專業(yè)認(rèn)證工作。專業(yè)認(rèn)證對課程提出了要達(dá)成的教學(xué)目標(biāo)：（1）能夠根據(jù)研究方案構(gòu)建實驗系統(tǒng)，開展實驗研究，安全地獲得有效數(shù)據(jù)，并能夠?qū)碚摂?shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與解釋；（2）能夠利用數(shù)據(jù)處理等手段，解釋實驗及實驗結(jié)果的差異性，獲得合理有效結(jié)論。數(shù)字電子技術(shù)實驗按照專業(yè)認(rèn)證基于成果導(dǎo)向的教育模式[6]，圍繞要達(dá)成的教學(xué)目標(biāo)，對數(shù)電實驗教學(xué)的內(nèi)容、方法和手段進(jìn)行了改革。

2 內(nèi)容改革

2.1 改革思路

依據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證畢業(yè)要求指標(biāo)點提出的要求及實驗教學(xué)中存在的問題，我們對數(shù)電實驗的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革，以一個小型數(shù)字系統(tǒng)為主線，改革了實驗內(nèi)容。首先選擇數(shù)字電子技術(shù)中一些關(guān)鍵知識點構(gòu)成一個完整的具有實用功能的小型數(shù)字系統(tǒng)，以該系統(tǒng)為主線開展項目化實驗教學(xué)，幫助學(xué)生建立數(shù)字系統(tǒng)的概念，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力、分析問題的能力[4]。實驗中，既有單元電路的設(shè)計、安裝和驗證，又有整個數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計調(diào)試，進(jìn)一步提高了學(xué)生參加實驗的興趣。

項目化教學(xué)是通過共同實施一個完整的項目工作而進(jìn)行的教學(xué)活動，實驗教學(xué)內(nèi)容需體現(xiàn)一個完整的項目，因此，要設(shè)計一個包含數(shù)字電子技術(shù)課程關(guān)鍵知識點并具有實用功能的小型數(shù)字系統(tǒng)作為一個完整的項目。項目應(yīng)包含組合邏輯電路、譯碼器、觸發(fā)器、計數(shù)器、 多諧振蕩電路及AD/DA 轉(zhuǎn)換電路等關(guān)鍵知識點。教學(xué)設(shè)計時，按相關(guān)知識點將這個小型數(shù)字系統(tǒng)拆分為若干個單元電路，每個單元電路為一個實驗項目，所有的實驗項目完成后，再將這些單元電路進(jìn)行組合聯(lián)調(diào)，最后重新還原為原來的小型數(shù)字系統(tǒng)。

2.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計時，參考了數(shù)字電子技術(shù)理論教程、實驗教程及其他資料，決定選擇3.5 位直流數(shù)字電壓表設(shè)計制作這一小型數(shù)字系統(tǒng)作為實驗主體內(nèi)容，將其拆分為若干個實電路單元，分別是：AD/DA 轉(zhuǎn)換電路、譯碼器、多諧振蕩器、觸發(fā)器、計數(shù)器、組合邏輯電路及數(shù)字芯片功能及參數(shù)測試。其中，數(shù)字芯片功能及參數(shù)測試為基礎(chǔ)項目，和小型數(shù)字系統(tǒng)3.5 位直流數(shù)字電壓表無直接關(guān)系，其他6 個實驗均和小型數(shù)字系統(tǒng)有關(guān)，但最后組合聯(lián)調(diào)時，由于課時限制，一部分電路將選擇已集成單元電路功能的芯片。

教學(xué)內(nèi)容確定后，按培養(yǎng)計劃中數(shù)電實驗學(xué)時數(shù)（32 學(xué)時） 分為8 次實驗課，每次實驗課的內(nèi)容依次為：實驗1，TTL 集成邏輯門的邏輯功能與參數(shù)測試（基礎(chǔ)實驗）；實驗2，組合邏輯電路的設(shè)計與測試(單元電路1)；實驗3，觸發(fā)器邏輯功能測試及其應(yīng)用(單元電路2)；實驗4，計數(shù)器及其功能電路設(shè)計(單元電路3) ；實驗5，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器(單元電路4) ；實驗6，譯碼器及其應(yīng)用(單元電路5) ；實驗7，A/D 和D/A電路(單元電路6)；實驗8，3.5 位數(shù)字表設(shè)計安裝與調(diào)試(小型數(shù)字系統(tǒng)組合調(diào)試)。實驗教學(xué)始終圍繞小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計制作進(jìn)行，貫穿整個實驗過程。

3 教學(xué)方法改革

單元電路實驗分為三個層次[7]，第一層是基礎(chǔ)實驗，第二層是單元電路設(shè)計，第三層是系統(tǒng)安裝調(diào)試。實驗教學(xué)中，不同層次的實驗項目有不同的教學(xué)方法和教學(xué)要求。

基礎(chǔ)實驗，要求學(xué)生熟悉設(shè)備及儀器儀表，了解芯片及數(shù)字電路邏輯功能的測試方法，通過實驗驗證相關(guān)數(shù)字電路設(shè)計的正確性。內(nèi)容包括，測量數(shù)字芯片及數(shù)字電路的邏輯功能、靜態(tài)參數(shù)、傳輸特性及傳輸延遲特性，通過測量了解在構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)時應(yīng)考慮的功耗、兼容性及延遲特性等多方面的因素，初步培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。

單元電路設(shè)計，要求學(xué)生能夠根據(jù)要求設(shè)計實驗電路并驗證其正確性，例如，組合邏輯電路設(shè)計，要求設(shè)計半加器、全加器和數(shù)值比較器。在這個實驗中，首先由教師講解組合邏輯電路一般設(shè)計思路，然后舉例設(shè)計一組合邏輯電路，最后給出實驗要求，學(xué)生根據(jù)設(shè)計要求將其轉(zhuǎn)為真值表，然后根據(jù)真值表寫出邏輯表達(dá)式并進(jìn)行化簡，最后根據(jù)最簡邏輯表達(dá)式畫出邏輯圖，這樣理論設(shè)計部分就完成了，接著再通過實驗驗證其正確性。

系統(tǒng)安裝調(diào)試，是課程的最后一個實驗。實驗中，將之前已經(jīng)完成的各單元電路進(jìn)行組合，逐一安裝并連接相關(guān)單元電路，完成整體調(diào)試，實現(xiàn)3.5 位數(shù)字表的所有功能。

4 教學(xué)手段改革

要求學(xué)生在實驗前對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，包括：與實驗內(nèi)容相關(guān)的芯片的型號、功能以及對應(yīng)的知識點。學(xué)生預(yù)習(xí)時，采用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與線下查閱資料相結(jié)合的方式。線上設(shè)有數(shù)字電子技術(shù)在線課程、仿真實驗平臺及相關(guān)教學(xué)資料等資源，在線課程有實驗課程教學(xué)視頻，仿真實驗平臺可以進(jìn)行仿真實驗，學(xué)院網(wǎng)站設(shè)有實驗預(yù)習(xí)平臺，收集了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計案例等教學(xué)資料，為學(xué)生預(yù)習(xí)提供一定的資源。

工程教育專業(yè)認(rèn)證畢業(yè)要求指標(biāo)點對實驗報告部分提出了較高的要求，要求學(xué)生能正確采集實驗數(shù)據(jù)，運(yùn)用理論知識分析和解釋實驗數(shù)據(jù)，并得出合理有效的結(jié)論。改革后，對實驗數(shù)據(jù)分析和解釋部分提出了明確要求，并將這部分內(nèi)容作為實驗報告評分的重要依據(jù)。

在新修訂的教學(xué)大綱和評分標(biāo)準(zhǔn)中，充分考慮工程教育專業(yè)認(rèn)證畢業(yè)要求指標(biāo)點的要求，改革了考核方法和評分標(biāo)準(zhǔn)。重視預(yù)習(xí)，將課程課外學(xué)習(xí)時間明確寫入大綱，規(guī)定每次實驗課要有2 學(xué)時課外學(xué)習(xí)時間，預(yù)習(xí)報告成績納入考核，預(yù)習(xí)成績的比例占10%以上。實驗表現(xiàn)考核中，主要觀察和記錄學(xué)生在實驗過程中的操作能力和實驗項目的完成情況。

5 結(jié)語

在我校電類相關(guān)專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院電工電子基地對數(shù)電實驗課程進(jìn)行了改革。改革以小型數(shù)字系統(tǒng)為主線，開展了項目化實驗教學(xué)。目前，改革措施已在電氣國際等專業(yè)實施，并取得良好的效果，學(xué)生解決實際工程問題的能力和撰寫實驗報告的能力有了一定程度的提高，課程在達(dá)成度評價中取得了較好的成績，學(xué)生評教成績也相對較高。當(dāng)然，教學(xué)改革中仍存在一些問題，例如，教學(xué)內(nèi)容尚有不完善之處，需進(jìn)一步優(yōu)化，此外，課外學(xué)習(xí)的監(jiān)督和評價等都有改進(jìn)的空間。