電子技術(shù)實驗教學的研究與實踐

盧東興

(肇慶學院電子與電氣工程學院 廣東肇慶 526061)

1 電子技術(shù)實驗教學改革的意義

實踐教學一直是教學工作中的薄弱環(huán)節(jié)，特別是自高等教育大眾化以來，社會各界要求提高大學生實踐能力水平的呼聲越來越強烈，引起了教育部等相關(guān)部門的高度重視。2018年教育部發(fā)布的《普通高等學校本科專業(yè)類教學質(zhì)量國家標準》，強調(diào)了本科教學的首要原則：突出學生中心，注重激發(fā)學生的學習興趣和潛能，創(chuàng)新形式、改革教法、強化實踐[1]。教育部的“新工科”計劃，旨在通過建立一體化的相互支撐和有機聯(lián)系的課程體系，培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力和適應(yīng)變化能力[2]。目前，筆者所在學校正以新工科、新農(nóng)科、新文科建設(shè)為引領(lǐng)，努力推進建設(shè)新時代特色鮮明的高水平應(yīng)用型大學，加強實踐教學更是刻不容緩。

當今社會電子技術(shù)發(fā)展日新月異，尤其是集成電路技術(shù)的進步與應(yīng)用，其更新速度較快，傳統(tǒng)的電子技術(shù)課程的教學已經(jīng)不能適應(yīng)社會的需求。電子技術(shù)課程的教學必然要做出調(diào)整。一方面，社會對工科學生的專業(yè)修養(yǎng)提出了更高的要求，實踐能力與創(chuàng)新能力成為社會的必然需求；另一方面，大規(guī)模集成電路得到廣泛應(yīng)用，軟件仿真代替了傳統(tǒng)方式下的電路調(diào)試，在改變?nèi)藗儗﹄娮蛹夹g(shù)的理解模式的同時，為電子產(chǎn)品更快完成設(shè)計爭取了寶貴的時間。

2 電子技術(shù)實驗教學改革面臨的問題

近年來，雖然筆者所在學校加大了實驗室建設(shè)經(jīng)費的投入力度，但由于歷史的原因、設(shè)備的限制以及師資條件，目前能進行電子技術(shù)相關(guān)實驗大多是驗證性實驗，只有一小部分是綜合性和設(shè)計性實驗，實驗內(nèi)容偏少偏簡單。另外，單片機、可編程邏輯器件及編程技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等電子專業(yè)實驗課程知識框架陳舊，學生的專業(yè)知識難以支撐崗位需求，培養(yǎng)出的人才不符合現(xiàn)實社會需求，實驗效果不佳，學生興趣也不高[3]。

電子技術(shù)實驗項目中，無論是模擬電路實驗部分，還是數(shù)字電路實驗部分，目前都存在很多耗時費力且難以得到正確結(jié)果的實驗項目。在模擬電路實驗項目中，采用分立元件搭建電路，電路搭建難度大，而且極易引入干擾，對信號源、測試設(shè)備、電源以及電路的布局都要求很高，實驗效果普遍較差。數(shù)字電路實驗項目中，雖然以邏輯芯片為主，但是往往連線眾多，實驗過程中學生需要耗費大量的時間進行接線，分析設(shè)計的時間反而少了。一個實驗做下來，老師和學生都很忙，但其實學生學到的東西以及得到的鍛煉并不多。

傳統(tǒng)的實驗教學模式一般按照如下程序進行：實驗老師發(fā)布實驗內(nèi)容，實驗演示并講解實驗原理，學生模仿操作并記錄實驗數(shù)據(jù)，課后分析實驗結(jié)果和撰寫實驗報告。這種模式不利于激發(fā)學生的主動性和積極性，實踐能力和創(chuàng)新能力鍛煉均不足，僅僅是完成課程的基本任務(wù)，難以培養(yǎng)出高水平應(yīng)用型人才。

2020 年以來，由于疫情的原因，既要避免聚集性傳播，又要保障學生實踐能力的鍛煉，眾多高校都在探索各種實驗教學模式。有視頻會議方式的，有結(jié)合仿真實驗方式的，也有在線實驗方式的。這些方式具有自己的優(yōu)點，也存在一些缺點。視頻會議方式要求具有很好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以老師的演示方式完成實驗教學，學生的實驗過程和實驗效果難以及時得到反饋。若加上虛擬仿真實驗，則往往要求各個學生都安裝虛擬仿真軟件，學生也是缺乏實操的動手機會?；谠诰€實驗平臺開展實驗教學，學生遠程操作實驗設(shè)備，實驗環(huán)境更接近真實實驗環(huán)境，但是相對來說建設(shè)投入較大。

3 電子技術(shù)實驗教學改革的措施

電子技術(shù)實驗教學改革是一個系統(tǒng)的工程，除了要在教學內(nèi)容和方法進行改革之外，對培養(yǎng)方案和師資力量方面也提出了新的要求，需要在教學環(huán)境、教學場所和教學設(shè)備上有配套的建設(shè)方案。為了適應(yīng)電子技術(shù)實驗教學改革的需要，更好地提高學生的實踐動手能力，該課題參照國內(nèi)兄弟院校的做法，進行了一些探索。

3.1 實驗教學內(nèi)容和方法的改革

電子技術(shù)實驗教學改革要切合學生實際，跟隨教學進度，為后續(xù)課程打下堅實的基礎(chǔ)，同時適量從深度和廣度上擴展學生的視野，盡最大能力提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，滿足社會對學生應(yīng)具有的工程師素養(yǎng)的要求?；谶@樣的思路，近年來，該課題在教學內(nèi)容和教學方法的改革等方面進行了一些探索，并取得了一些成果。

3.1.1 增設(shè)綜合性實驗和設(shè)計性實驗

科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力的論斷已被廣大人民群眾所接受。大學生是未來科技工作的主力軍，培養(yǎng)大學生的科技創(chuàng)新能力是十分重要的。實驗教學是高校本科教學工作的重要組成部分，是培養(yǎng)學生動手能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神的重要手段，而實驗教學內(nèi)容中的綜合性、設(shè)計性實驗則是培養(yǎng)學生專業(yè)綜合素質(zhì)、解決實際問題的重要途徑。

由于課時有限，對一些旨在加深課程內(nèi)容理解且實現(xiàn)簡單的驗證性實驗，該課題的方法是讓學生在課后以開放實驗的形式獨立完成，并加強課后答疑和輔導。在實驗課中，增加一些綜合性實驗和設(shè)計性實驗項目，重點培養(yǎng)和鍛煉學生的獨立思考能力和創(chuàng)新能力。

3.1.2 引入計算機虛擬仿真實驗

電子技術(shù)實驗教學方法及手段的常規(guī)做法是利用常用電子儀器和基本測量方法，對簡單的電路進行測試和分析。但由于受環(huán)境、儀器和元器件的限制，稍微復(fù)雜一點的實驗費時費力，效果也不理想。傳統(tǒng)的實驗教學模式是由教師先進行講授和實驗操作示范，實驗方案、操作步驟都被老師安排得清清楚楚，學生在實驗過程中只需按照程序操作，按照老師的指導機械地驗證最終的實驗結(jié)果[4]。整個過程中，學生是被動地接受、機械地模仿，主體地位未得到充分體現(xiàn)[5]。部分學生在實驗過程中甚至不明白自己在干什么，每一步究竟是為了什么，所得到的參數(shù)究竟代表什么，在課后寫實驗報告時才會結(jié)合所學知識對數(shù)據(jù)進行回憶式分析，而實驗過程中出現(xiàn)的問題則會忽略，達不到實驗課程預(yù)期的培養(yǎng)效果。

該課題要求學生首先要借助Multisim 或Quartus等EDA 軟件完成虛擬仿真實驗，得到正確的實驗結(jié)果，然后再到實驗室開展實操實驗。這樣的實驗方式不但實驗的效率得到提高，也有利于鍛煉學生的自主學習能力。在設(shè)計出電路后先用計算機仿真驗證實驗結(jié)果，結(jié)果正確后再搭建電路，這也是現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計的常規(guī)步驟，有利于提高電子產(chǎn)品開發(fā)的效率。

3.1.3 增加基于集成電路的模擬電路實驗項目

為了體現(xiàn)適合我國情況的先進性，除了保留少量的分立元件實驗項目外，該課題刪減了一些已過時的內(nèi)容，比如阻容耦合電壓放大電路實驗、變壓器耦合功率放大電路實驗、由分立元件組成的放大電路設(shè)計等，在基本放大電路實驗、負反饋放大電路實驗、信號的運算和處理實驗、波形的發(fā)生和信號的轉(zhuǎn)換實驗、穩(wěn)壓電源實驗等實驗項目中主要以集成運算放大器、集成比較器、集成三端穩(wěn)壓器構(gòu)成電路。這樣的電路結(jié)構(gòu)，適應(yīng)了電子技術(shù)發(fā)展的潮流，而且學生普遍反映容易理解，實驗成功率高，效果良好。

3.1.4 引入基于可編程邏輯器件的數(shù)字電路實驗

傳統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計方法，基于“中小規(guī)模集成電路+連線”的電路方式，僅適用于低速和簡單的數(shù)字電路設(shè)計，存在效率低、可靠性差、實現(xiàn)功能有限等問題，無法適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)字電路的開發(fā)。

現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計技術(shù)是從傳統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計技術(shù)發(fā)展而來的，它利用VHDL 語言開發(fā)設(shè)計硬件是硬件設(shè)計方法的一次重大進步，打破了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的界線，我們只需完成對邏輯功能的描述，就可借助軟件進行處理生成硬件電路，修改電路只需修改邏輯功能描述，就像修改軟件一樣方便?；诖笠?guī)模集成電路，即可編程邏輯器件的設(shè)計不僅使設(shè)計的過程得以簡化，而且電路的功能和可靠性也大大提高了，其是目前數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的主流，是現(xiàn)行工程實踐的需求。EDA技術(shù)已成為現(xiàn)代電子工程師所必須具備的技能。該課題在數(shù)字電路實驗教學中引入可編程邏輯技術(shù)，開展硬件實驗與EDA軟件相結(jié)合的新型實驗教學模式[6]，能讓學生盡快跟上最新電子技術(shù)的潮流，也為后續(xù)課程打下基礎(chǔ)。

對于兩年一度的全國大學生電子設(shè)計競賽，讓學生盡快接觸可編程邏輯技術(shù)也顯得十分必要。全國大學生電子設(shè)計競賽目的在于推動高等學校對信息與電子類學科課程體系和課程內(nèi)容的改革，有助于學生工程實踐素質(zhì)的培養(yǎng)、提高學生創(chuàng)新能力和協(xié)助精神，和利用課堂所學基本理論基本技能解決實際問題的能力。競賽題目以電子電路（含模擬和數(shù)字電路）應(yīng)用設(shè)計為主要內(nèi)容，可以涉及模-數(shù)混合電路、單片機、可編程邏輯器件、EDA 軟件工具和PC 機的應(yīng)用，具有綜合性、創(chuàng)新性和現(xiàn)實意義。由此可見，掌握可編程邏輯技術(shù)，對參加全國大學生電子競賽必不可少。通過對電子技術(shù)課程的改革，學生能更早接觸可編程邏輯技術(shù)，并有盡量多的時間進行深入的學習和實踐的鍛煉。該課題分析研究了部分全國大學生電子設(shè)計競賽題目，將其分解為若干模塊作為設(shè)計課題，讓學有余力的學生課外實現(xiàn)。這些設(shè)計課題是課堂教學內(nèi)容有益的擴充，為有意于參加全國大學生電子設(shè)計競賽的學生打下堅實的基礎(chǔ)。

3.1.5 注重實驗項目的可延伸性和拓展性

電子信息類專業(yè)開出的電路分析基礎(chǔ)、電子技術(shù)、單片機技術(shù)、EDA 技術(shù)、SOC 技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等具有較大相關(guān)性的課程為一個課程系列有機體。電子技術(shù)課程的教學要兼顧其后續(xù)課程的銜接，包括基礎(chǔ)知識的銜接、實驗內(nèi)容的過渡、設(shè)計項目的可延伸性，以及對創(chuàng)新能力培養(yǎng)的鋪墊等，盡可能為后續(xù)課程營造良好的接口。同樣是交通燈控制，可以用中小規(guī)模數(shù)字電路實現(xiàn)，也可以用單片機或可編程邏輯器件等實現(xiàn)，實現(xiàn)的方式不一樣，效果也就不一樣。又如可調(diào)穩(wěn)壓電源，調(diào)節(jié)方式可以是電位器手動調(diào)節(jié)，也可以是數(shù)控調(diào)節(jié)，兩種方式的精度不可同日而語。該課題在設(shè)置實驗項目的時候，除了給出基本的實驗內(nèi)容外，還指出一些拓展方向，供學有余力的學生自主去探索，去實踐。雖然后續(xù)有EDA技術(shù)等課程，但是仍然在數(shù)字電路實驗中讓學生提前接觸先進的EDA技術(shù)，一個目的是為后續(xù)課程打下堅實的基礎(chǔ)，另一個目的是讓學生能有更多的時間為參加全國大學生電子設(shè)計競賽做知識的儲備。

3.2 培養(yǎng)方案上的改革措施

在培養(yǎng)方案上，傳統(tǒng)的方案將數(shù)字電路課程放到電路分析基礎(chǔ)和模擬電路課程后面，導致學生在面對大量基于數(shù)字技術(shù)的后續(xù)課程（如EDA、微機接口、DSP、ARM 等）時，表現(xiàn)得起點過低，導致學習效率低，實踐能力的提高困難。到畢業(yè)時，大量課程都沒能達到預(yù)定的學習效果。

筆者認為，作為電子信息類專業(yè)培養(yǎng)方案中自主創(chuàng)新意識的啟蒙課程，必須將數(shù)字電路課程提前，并縮短理論授課課時及增加實驗課課時，提高綜合性和設(shè)計性實驗項目的比例，提高基于現(xiàn)代電子技術(shù)的自動化設(shè)計實驗的比例，強化學生的自主、研究與合作式學習，在數(shù)字電路的基礎(chǔ)理論、實踐能力和創(chuàng)新精神這三方面著力，為學生后續(xù)課程的學習打下堅實的基礎(chǔ)，讓其有能力提早進入課外科技活動，并提高就業(yè)率、就業(yè)質(zhì)量和考研通過率。

3.3 師資方面的改革措施

現(xiàn)代電子技術(shù)日新月異，一日千里，高校教師作為學生學習知識的引路人，首先要跟上時代步伐，不斷更新自己的知識結(jié)構(gòu)，在教學內(nèi)容和教學方法上不斷創(chuàng)新，才能培養(yǎng)出適應(yīng)社會需求的大學生。

為了提高實驗教學的質(zhì)量，須加大力度引入高學歷的教師從事實驗教學，努力引進有工程背景的雙師型教師，鼓勵教師參加教學比賽、創(chuàng)建精品課程，并通過進修、參觀、交流、帶學生開展課外科技活動、下企業(yè)幫扶、當科技特派員等措施提升自己的知識水平和教學水平。

3.4 實驗室建設(shè)方面的改革措施

實驗室建設(shè)是實驗教學得以開展的基礎(chǔ)。為提供更好的實驗教學條件，除了努力爭取實驗室建設(shè)經(jīng)費外，還可以借助學科專業(yè)建設(shè)、沖補強提升計劃、提毛工程、教科研項目、校企共建等機會改善實驗室條件，以及借助開展線上線下混合教學、虛擬仿真實驗等方式減輕實驗室壓力。

具體到電子技術(shù)實驗，很多電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗采用在綜合實驗臺或?qū)嶒炏渖辖硬咫娐纺K的形式進行實驗，優(yōu)點是簡單方便，缺點是接線困難，不利于更改電路，不利于學生分析思考和實踐能力的鍛煉，同時電路設(shè)計固定落后，跟不上時代的潮流。

基于上述改革思路，在現(xiàn)代電子技術(shù)實驗室里，學生須完成電子技術(shù)的基礎(chǔ)實驗，也要進行一系列復(fù)雜的綜合性和設(shè)計性實驗。既要進行硬件電路的搭建實驗，也要通過EDA軟件進行電路的開發(fā)實驗?，F(xiàn)代電子技術(shù)實驗室除了配置電源、信號源、萬用表、毫伏表、示波器、面包板等常規(guī)的實驗設(shè)備之外，還需配置一些開發(fā)板和計算機，并安裝常用的電子設(shè)計和仿真軟件[7]。也可以在常規(guī)的電子技術(shù)實驗室旁邊設(shè)置電子設(shè)計自動化實驗室，采用計算機+開發(fā)板或?qū)嶒炏涞姆绞?。大部分仿真實驗由學生在課余時間完成，到實驗室完成的工作主要是電路組裝、上機調(diào)試和驗證。

常規(guī)的電子設(shè)計自動化實驗室采用的是計算機+開發(fā)板或?qū)嶒炏涞哪Ｊ?。這種方式一則昂貴的開發(fā)板或?qū)嶒炏淙菀讚p壞，難以管理，二則受實驗場所和時間限制，限制了學生實驗的機會。筆者所在學院在配置了計算機+開發(fā)板的基礎(chǔ)上，還配置了FPGA在線實驗平臺。FPGA 在線實驗平臺不同于單純的虛擬仿真實驗，學生操作的是真實的硬件設(shè)備，學生也能得到硬件設(shè)備的反饋信息。FPGA 在線實驗平臺的好處顯而易見。通過FPGA 在線實驗平臺對開發(fā)板統(tǒng)一管理，解決現(xiàn)場實驗易造成開發(fā)板損傷、短路、丟失的難題，讓老師從開發(fā)板管理、回收、發(fā)放的繁瑣工作，以及實驗過程監(jiān)控、實驗結(jié)果評測和學生實驗管理中解脫出來，同時學生可以隨時隨地在線訪問實驗資源做實驗，既克服疫情期間集中實驗的難題，也為學生實驗和老師的管理工作提供了便利。

筆者所在學院成立了學生創(chuàng)新實踐基地，主要用于學有余力的學生課外開展科研、競賽等實踐活動，也可以作為畢業(yè)設(shè)計和課程設(shè)計的場所。學生創(chuàng)新實踐基地為完全開放的實驗室，配置有常規(guī)的實驗儀器，還設(shè)置了元器件庫，為學生提供常規(guī)的元器件、工具及開發(fā)板。依托學生創(chuàng)新實踐基地，筆者所在學院組織了學生科研團隊，配置了指導老師和管理老師，組織學生開展了“手把手教你焊電路”、“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術(shù)科技作品競賽、廣東省工科大學生實驗綜合技能競賽、廣東省以及全國大學生電子設(shè)計競賽等一系列的課外實踐活動，并取得較好的成績。以賽促學，以賽促建，不僅培養(yǎng)了一批專業(yè)能力強的應(yīng)用型綜合性人才，而且也進一步提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過多年來對電子技術(shù)實驗教學的研究，該課題在教學內(nèi)容、教學方法和教學的手段，以及師資力量的培養(yǎng)和實驗室的建設(shè)等方面進行了有益的探索，并取得了一系列的成果。大量的學生提高了實踐動手能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程的學習和參加各種電子設(shè)計競賽，以及將來走向工作崗位都打下了堅實的基礎(chǔ)。相關(guān)老師在實驗教學改革中更新了知識結(jié)構(gòu)，緊跟時代潮流，教學能力和教學積極性也得到了提高。