專業(yè)認證背景下數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)改革探索

王先龍 藍必鐵 韋雪嬌 鄭瑤 張金城

摘要 專業(yè)認證背景下，實驗教學(xué)過程應(yīng)以學(xué)生為中心，教師引導(dǎo)為輔。數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)改革，首先引入了項目驅(qū)動教學(xué)方法，以項目驅(qū)動為抓手，引導(dǎo)學(xué)生主動思考；其次要求學(xué)生在實驗課程中使用Multisim軟件自主設(shè)計并調(diào)試電路，完成實驗項目；最后結(jié)合過程考核對學(xué)生進行過程評價。本課題的實踐結(jié)果表明，這種實踐教學(xué)形式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提升了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 數(shù)字電子技術(shù)實驗；項目驅(qū)動；教學(xué)改革；Multisim仿真

中圖分類號：G642文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.6.024

近年來全國高校工程類專業(yè)陸續(xù)開展工程教育專業(yè)認證，這是對高?，F(xiàn)有工程類專業(yè)的一種專業(yè)評價，以評促建，以建促改，各高校通過專業(yè)認證的方式來保證專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。專業(yè)通過認證表明專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量實現(xiàn)了國際實質(zhì)等效，意味著該專業(yè)畢業(yè)生達到各工程教育專業(yè)認證國家行業(yè)認可的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。專業(yè)認證要求在人才培養(yǎng)的全過程體現(xiàn)“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”的基本理念[1]。作為實現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的載體，課程體系根據(jù)工程教育專業(yè)認證標(biāo)準(zhǔn)與要求進行優(yōu)化是其中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)[2-3]。

專業(yè)認證背景下，數(shù)字電子技術(shù)實驗課程是否實現(xiàn)教育目標(biāo)圍繞學(xué)生進行，教學(xué)設(shè)計聚焦學(xué)生的能力培養(yǎng)這一目標(biāo)，是每一位任課老師需要思考的問題。相較于其他課程，數(shù)字電子技術(shù)實驗課程不僅具有很強的理論性，而且還具有很強的實踐性和應(yīng)用性[4]。該課程對應(yīng)的實驗教學(xué)內(nèi)容主要包括組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序電路測試、集成計數(shù)器及寄存器、譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器等組成。一個合理的教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實驗項目，能夠促進學(xué)生實現(xiàn)理論知識和實驗項目相互印證這一過程的完成，從而加深對理論知識的理解和把握，并轉(zhuǎn)化為內(nèi)在的認知。

1課程教學(xué)現(xiàn)狀

數(shù)字電子技術(shù)飛速發(fā)展，使得“數(shù)字電子技術(shù)”課程內(nèi)容得到了擴展，需要教師對數(shù)字電子技術(shù)前沿進行研究并介紹，這無疑對本就緊張的學(xué)時安排提出了更高要求。在課時相對固定的條件下，教師決定著教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進度，大多老師在教學(xué)方法的選擇上仍然采用傳統(tǒng)的“老師教，學(xué)生學(xué)”的教學(xué)模式，課堂的主體仍然是教師，學(xué)生習(xí)慣跟隨老師學(xué)習(xí)[5]。在教學(xué)過程中師生互動較少，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生是被動接受者，對自身未來無明確規(guī)劃，在課程學(xué)習(xí)過程中也無明確目標(biāo)，不會有意識地培養(yǎng)自己的專業(yè)技術(shù)能力和創(chuàng)新能力。

同時，大部分高校數(shù)字電子技術(shù)課程實驗項目受限于實驗儀器設(shè)備及實驗條件場地等因素，實驗項目設(shè)置多為簡單基礎(chǔ)的驗證性實驗，缺少設(shè)計性綜合性的實驗。大部分學(xué)生課前沒有預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，在實驗過程中簡單參照電路圖完成接線，驗證實驗現(xiàn)象即完成實驗。學(xué)生缺少主動思考的意識，只是簡單的為了實驗而實驗，即使在實驗過程中遇到了問題，大多數(shù)學(xué)生還是不能用所學(xué)的理論知識解釋實驗，解決實驗問題。其次，在學(xué)生實驗過程中，教師缺少對學(xué)生實驗全過程進行有效的監(jiān)督檢查，缺少過程考核。這種實驗教學(xué)模式對學(xué)生工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作用較弱，達不到專業(yè)認證的要求。所以，數(shù)字電子技術(shù)實驗課程教學(xué)改革勢在必行。

2改革策略

2.1以學(xué)生為主體

數(shù)字電子技術(shù)課程的應(yīng)用性和實踐性很強，其知識點在學(xué)習(xí)過程中前后是一個緊密相連的完整的知識體系。在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識的同時強調(diào)對理論知識的應(yīng)用，強調(diào)理論聯(lián)系工程實際。在實際教學(xué)中教師需要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，進而提高學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣。鼓勵學(xué)生獨立思考、獨立分析問題及解決問題。在實驗實踐環(huán)節(jié)中突出對技能的培養(yǎng)，學(xué)生逐步學(xué)會分析電路，學(xué)會電路的設(shè)計思路，學(xué)會檢查和排除故障的方法[6-7]，學(xué)生盡可能地應(yīng)用所學(xué)理論知識解釋實驗現(xiàn)象，能夠逐步學(xué)會設(shè)計調(diào)試電路，進而分析和解決復(fù)雜問題，真正掌握電路的工作原理。整個教學(xué)過程以學(xué)生為主體，教師引導(dǎo)學(xué)生完成實驗項目。教師在學(xué)生遇到問題時給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)提點，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識，更好地培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，達成預(yù)期培養(yǎng)目標(biāo)。

2.2運用項目驅(qū)動教學(xué)方法

在實驗教學(xué)中運用項目驅(qū)動教學(xué)法[8-9]，以項目驅(qū)動為抓手，要求學(xué)生在實驗過程中主動思考，不可被動模仿。項目驅(qū)動教學(xué)法有效應(yīng)用的前提是需要設(shè)計好學(xué)生自主探究的實踐環(huán)節(jié)，好的實踐環(huán)節(jié)能能促進學(xué)生對課堂理論知識的吸收，提高學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣，培養(yǎng)學(xué)生對理論知識的應(yīng)用能力。項目驅(qū)動教學(xué)法打破了理論教學(xué)和實驗教學(xué)的隔閡，將理論教學(xué)中的課程重點難點內(nèi)容以項目的形式呈現(xiàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，學(xué)以致用。學(xué)生在完成項目的過程中帶著問題積極思考，相互交流，相互學(xué)習(xí)，在完成一個一個項目的過程中學(xué)生獲得學(xué)習(xí)快樂的同時，其自學(xué)能力也得到較大的提升。項目驅(qū)動教學(xué)法改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方法，從“老師講”轉(zhuǎn)移到“學(xué)生做”[10]，以學(xué)生為主，教師為輔。同時增加軟件仿真的教學(xué)內(nèi)容，大大的激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)的創(chuàng)造性。

2.3引入過程考核

過程性考核就是把學(xué)生學(xué)習(xí)的過程進行量化，并把量化后的指標(biāo)納入評價體系。數(shù)字電子技術(shù)實驗課程實行過程考核和期末考試成績相結(jié)合的評價辦法，即：數(shù)字電子技術(shù)實驗課程成績=過程考核（40%）+實驗報告（20%）+期末考試（40%）。數(shù)字電子技術(shù)實驗課程成績組成介紹如下：

平時考勤占總成績的10%，曠課一次扣1分。各個實驗分成若干個小項目，對實驗過程中完成的每個小項現(xiàn)場答辯驗收，完成驗收獲相應(yīng)分。過程考核占總成績的30%。實驗報告依據(jù)完成質(zhì)量給分，該部分占總成績的20%。期末考試采用閉卷考試，該部分占總成績的40%?？荚噧?nèi)容包括：實驗操作、實驗數(shù)據(jù)處理、實驗答辯及主觀題。

2.4對教學(xué)內(nèi)容進行改革

將Multisim引入實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。Multisim仿真軟件在實際工程應(yīng)用中備受青睞，具有形象直觀的特點。Multisim仿真軟件的引入，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，有助于學(xué)生對抽象知識的理解，擴展了學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容，提升了學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力。

3案例實施

使用Multisim軟件，以設(shè)計4位異步二進制加法計數(shù)器為例，對教學(xué)實驗項目進行仿真。

3.1設(shè)計思路

根據(jù)時序測試實驗要求設(shè)計4位異步二進制加法計數(shù)器。根據(jù)實驗設(shè)計要求，4位異步二進制加法計數(shù)器共有16種計數(shù)狀態(tài)。4位異步二進制加法計數(shù)器狀態(tài)表如表1所示。

通過表1對4位異步二進制加法計數(shù)器狀態(tài)表的分析，學(xué)生可以清晰地知道計數(shù)器的各種計數(shù)狀態(tài)，T'觸發(fā)器的特性方程及驅(qū)動方程和時鐘方程的分析可為后續(xù)的電路設(shè)計學(xué)習(xí)做好鋪墊。

3.2教學(xué)應(yīng)用

4位異步二進制加法計數(shù)器電路如圖1所示，通過分析電路時序我們發(fā)現(xiàn)異步計數(shù)器各個觸發(fā)器的時鐘不是來自同一個時鐘源，狀態(tài)變化時，有的觸發(fā)器與時鐘同步，有的則滯后一些。設(shè)定各觸發(fā)器的初始狀態(tài)，在清零端加負脈沖，計數(shù)前使得Q4Q3Q2Q1=0000狀態(tài)，計數(shù)過程中清零端加正脈沖。

圖1仿真電路接線圖中使用邏輯分析儀對仿真工作波形進行觀察，邏輯分析儀輸出波形如圖2所示，通過仿真測試波形圖，我們能形象直觀的看到各點時時對應(yīng)的波形。結(jié)果顯示圖1電路實現(xiàn)了4位異步二進制加法計數(shù)器設(shè)計要求。當(dāng)?shù)谝粋€時鐘脈沖CP下降沿到來時，U1A觸發(fā)器由初態(tài)0狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為1狀態(tài)，此時計數(shù)器狀態(tài)為Q4Q3Q2Q1=0001狀態(tài)。U2A只有在Q1由1→0時翻轉(zhuǎn)；U3A只有在Q2Q1=1時翻轉(zhuǎn)，其余保持；U4A只有在Q3Q2Q1=1時翻轉(zhuǎn)，其余保持。即前一級的下降沿觸發(fā)后一級的翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)16分頻。

結(jié)合Multisim軟件進行數(shù)字電子技術(shù)實驗仿真教學(xué)，可以讓學(xué)生在進行實驗箱操作的同時能直觀地觀察個點輸入輸出的波形，加強了學(xué)生對實驗課程基礎(chǔ)知識的理解，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情，有利于接下來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會設(shè)計電路，調(diào)試電路。

4教學(xué)改革效果

通過數(shù)字電子技術(shù)實驗課程教學(xué)改革實施，上課過程中學(xué)生思維變得活躍，學(xué)生積極參與課堂教學(xué)，積極申請大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃。近兩年數(shù)字電子技術(shù)實驗課程成績對比如表2（p77）所示。由表2可知，2021年存在不及格的學(xué)生，占比4%，在2022年數(shù)字電子技術(shù)實驗課程在實行了課程改革后，沒有不及格的學(xué)生；60―70分數(shù)段的學(xué)生由2021年的占比57%下降到2022年的17.5%，說明學(xué)生對數(shù)字電子技術(shù)實驗基礎(chǔ)知識的掌握大幅提高；70―80分數(shù)段的學(xué)生由2021年的占比32.5%提升到2022年的55%，中等層次的學(xué)生占比提升幅度最大；80―90分數(shù)段的學(xué)生由2021年的占比6.5%提升到2022年的19.5%，良等層次的學(xué)生占比提升13%；90分以上的學(xué)生實現(xiàn)了零的突破，一共4人，優(yōu)秀率為8%。通過教學(xué)改革實踐，教學(xué)效果明顯。

5結(jié)語

在專業(yè)認證背景下，文章對梧州學(xué)院電信類“數(shù)字電子技術(shù)實驗”的教學(xué)現(xiàn)狀進行了分析，提出了實驗教學(xué)過程應(yīng)以學(xué)生為中心，教師引導(dǎo)為輔。在數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)改革中建立了有效的項目驅(qū)動機制，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，相互學(xué)習(xí)，在完成項目過程中獲得學(xué)習(xí)的快樂。為了拓展教學(xué)方法，在實驗教學(xué)過程中使用了Multisim仿真軟件，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會設(shè)計調(diào)試電路，著重培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力和仿真能力。在實驗課程總評時加入了過程考核部分。教學(xué)改革探索結(jié)果表明，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情及學(xué)習(xí)主動性得到了很大的提高。數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)改革有效促成了人才培養(yǎng)目標(biāo)達成，推動了專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的不斷提升。

*通訊作者：藍必鐵

基金項目：教育部第二批新工科研究與實踐項目（EDZYQ20201426）；梧州學(xué)院教育教學(xué)改革工程立項項目（WYJG2022A029）。

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