數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)“四融合”教學(xué)模式改革探索

摘要：針對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在學(xué)生實(shí)踐能力不足和創(chuàng)新精神淡薄的問(wèn)題，以培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)，構(gòu)建“思政元素+工程案例+學(xué)科競(jìng)賽+大創(chuàng)項(xiàng)目”融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)模式，采取競(jìng)賽、項(xiàng)目研究的教學(xué)方式對(duì)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)施教學(xué)改革。借助競(jìng)賽和項(xiàng)目研究促進(jìn)多課程知識(shí)綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課外工程實(shí)踐有效銜接。結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)搭建實(shí)踐基地，引導(dǎo)學(xué)生積極參加專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐，強(qiáng)化了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，增強(qiáng)了創(chuàng)新精神。改革實(shí)踐對(duì)工科專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐創(chuàng)新；思政元素；學(xué)科競(jìng)賽；項(xiàng)目研究

中圖分類號(hào)：F2"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""""" doi：10.19311/j.cnki.16723198.2025.14.013

1 教學(xué)改革背景

為了推動(dòng)工程教育改革創(chuàng)新，教育部大力推動(dòng)“新工科建設(shè)”。在具體實(shí)踐中，“以學(xué)生為中心，強(qiáng)化實(shí)踐創(chuàng)新能力、面向產(chǎn)業(yè)發(fā)展，復(fù)雜工程問(wèn)題融入教學(xué)”成為工程人才培養(yǎng)的共性要求[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是工程教育“吸收新技術(shù)、滿足新需求”的落地抓手[2]，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)基于理論教學(xué)并貼合工程實(shí)踐，給學(xué)生留下獨(dú)立思考的空間，激發(fā)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的欲望，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。

數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)作為電氣、電子專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，是理論與工程實(shí)踐的橋梁，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常依據(jù)理論教學(xué)確立基礎(chǔ)驗(yàn)證型和綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，采取課堂實(shí)驗(yàn)的方式開(kāi)展教學(xué)，要求學(xué)生掌握基本理論知識(shí)，熟悉實(shí)驗(yàn)儀器使用方法，設(shè)計(jì)并搭建電路進(jìn)行測(cè)試，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行誤差分析，問(wèn)題處理等[34]。這種以理論知識(shí)驗(yàn)證為目的教學(xué)方式，其課外工程實(shí)踐融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的路徑不清、力度不夠，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)未能將理論知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)有效的拓展應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)知識(shí)片段化，缺乏自主探究能力和工程實(shí)踐能力，創(chuàng)新意識(shí)不強(qiáng)[5]。

因此，以“培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力”為數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)目標(biāo)，通過(guò)研究工程案例與理論知識(shí)的匹配度，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革對(duì)競(jìng)賽和雙創(chuàng)項(xiàng)目的支撐度，實(shí)驗(yàn)教學(xué)融入思政教育的具體路徑和方法，構(gòu)建“思政元素+工程案例+學(xué)科競(jìng)賽+大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目”融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)模式，采取競(jìng)賽、項(xiàng)目研究的方式對(duì)遵義師范學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)（以下簡(jiǎn)稱電氣專業(yè)）學(xué)生實(shí)施教學(xué)改革。促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目創(chuàng)新教學(xué)方式

以實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為指引，對(duì)數(shù)字電子技術(shù)理論知識(shí)進(jìn)行模塊化和層次化的劃分，確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型為“基礎(chǔ)設(shè)計(jì)+綜合設(shè)計(jì)+探究設(shè)計(jì)”且難度遞增，使學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)循序漸進(jìn)，避免一開(kāi)始就展開(kāi)較難的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致學(xué)生反感；明確每一類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的思政目標(biāo)，從工程案例、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目中對(duì)應(yīng)選題，凝練形成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?；A(chǔ)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和操作技能，采取個(gè)人獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式；綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生小項(xiàng)目細(xì)流程的工程思維，采取競(jìng)賽的方式進(jìn)行小組實(shí)驗(yàn)[6]；探究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、工匠精神，以項(xiàng)目研究的方式進(jìn)行小組實(shí)驗(yàn)。通過(guò)多種教學(xué)方式促使“思政+工程案例+學(xué)科競(jìng)賽+大創(chuàng)項(xiàng)目”融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以潤(rùn)物無(wú)聲的方式將德育貫穿實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程。

3 項(xiàng)目研究培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)

重點(diǎn)闡述項(xiàng)目研究的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式來(lái)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)施過(guò)程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用項(xiàng)目研究有助于驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主鞏固理論知識(shí)，強(qiáng)化實(shí)踐操作，促進(jìn)工程實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合，提升學(xué)生獨(dú)立探究和實(shí)踐創(chuàng)新能力[7]。探究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采取項(xiàng)目研究的方式開(kāi)展，研究分為項(xiàng)目方案的評(píng)定、電路設(shè)計(jì)與仿真，實(shí)操與答辯環(huán)節(jié)，教師制定圖1的項(xiàng)目研究流程，小組依據(jù)流程完成各階段的任務(wù)，獲得該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的最終成績(jī)。

3.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方案評(píng)定

以設(shè)計(jì)一個(gè)智能脈搏測(cè)試儀為例，教師發(fā)布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，給出項(xiàng)目工程背景、技術(shù)指標(biāo)、原理提示。學(xué)生根據(jù)流程圖1要求查閱文獻(xiàn)、系統(tǒng)復(fù)習(xí)理論知識(shí)、確定實(shí)驗(yàn)方法，形成詳細(xì)的研究方案，制作PPT進(jìn)行匯報(bào)。教師根據(jù)學(xué)生的項(xiàng)目研究方案和PPT匯報(bào)情況評(píng)定該環(huán)節(jié)的分?jǐn)?shù)。通過(guò)此環(huán)節(jié)訓(xùn)練，提升了學(xué)生獲取價(jià)值資料的能力，拓展了學(xué)生的知識(shí)層次，培養(yǎng)了學(xué)生自主探究和創(chuàng)新能力，訓(xùn)練了學(xué)生對(duì)科學(xué)問(wèn)題的表述和綜合提煉能力。

工程背景：脈搏測(cè)試儀用于監(jiān)測(cè)人體脈搏，廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、體育運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域。技術(shù)指標(biāo)：設(shè)計(jì)一個(gè)脈搏測(cè)試儀，在15s內(nèi)測(cè)量1min的脈搏數(shù)并顯示測(cè)量結(jié)果；用傳感器將脈搏跳動(dòng)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，其輸出電壓一般為幾十毫伏；測(cè)量范圍：30—250次/min；測(cè)量精度：±3次/min。原理提示：傳感器檢測(cè)心臟跳動(dòng)產(chǎn)生的脈搏波并將其轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，經(jīng)放大與整形變成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后由顯示器顯示脈搏數(shù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與仿真

借助Multisim軟件，學(xué)生在該階段需要完成各電路模塊設(shè)計(jì)與仿真、綜合電路仿真調(diào)試。通過(guò)電路設(shè)計(jì)與仿真，強(qiáng)化學(xué)生在模型搭建、數(shù)據(jù)分析、參數(shù)校正等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的基本技能，掌握電子電路模塊化、層次化設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)、分析、歸納等工程素養(yǎng)[89]。根據(jù)脈搏測(cè)試儀的設(shè)計(jì)要求，學(xué)生需要完成傳感器電路、放大與整形電路、倍頻電路、控制電路、計(jì)數(shù)譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)。

3.2.1 傳感器電路模塊設(shè)計(jì)

傳感器的功能是將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，學(xué)生自主選擇傳感器電路，鞏固脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感原理及電路設(shè)計(jì)方法，借助Multisim軟件進(jìn)行電路仿真調(diào)試。以選擇紅外光電傳感器為例，所設(shè)計(jì)的仿真電路如圖2所示，用紅外光照射人的手腕脈搏，當(dāng)脈搏跳動(dòng)時(shí)光敏三極管接受的光照發(fā)生變化，輸出電壓發(fā)生變化，為了模擬光敏三極管接受光照的變化，選擇矩形波信號(hào)作為發(fā)光二極管的電壓源。

3.2.2 放大與整形電路模塊設(shè)計(jì)

由于傳感器實(shí)際輸出的電壓信號(hào)比較微弱且為不規(guī)則的脈沖信號(hào)，須通過(guò)放大、濾波、整形以滿足計(jì)數(shù)電路的要求。學(xué)生自主思考選擇放大電路、濾波電路、整形電路以及外圍元器件，鞏固同向比例及反向比例放大電路、濾波電路、脈沖整形電路的工作原理，借助Multisim軟件仿真進(jìn)行電路參數(shù)調(diào)試，以獲得最優(yōu)電路模塊。以選擇同向比例電路、二階壓控有源低通濾波器、施密特觸發(fā)器為例，所設(shè)計(jì)的仿真電路如圖3所示。

3.2.3 倍頻電路模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求在15s內(nèi)測(cè)量1min內(nèi)的脈搏數(shù)，從而縮短測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量效率，故需要對(duì)放大整形后的脈搏信號(hào)進(jìn)行四倍頻。倍頻電路的形式很多，學(xué)生自主思考，分析不同倍頻電路的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際設(shè)計(jì)合適的電路，加深對(duì)倍頻電路基本工作原理的理解，借助Multisim仿真調(diào)試以獲得最優(yōu)電路。以選擇異或門電路構(gòu)成4倍頻電路為例，所設(shè)計(jì)的仿真電路如圖4所示。

3.2.4 控制電路模塊設(shè)計(jì)

為了控制脈搏信號(hào)經(jīng)放大、整形、倍頻后進(jìn)入計(jì)數(shù)器的時(shí)間為15s，需要設(shè)計(jì)一個(gè)電路控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間。555定時(shí)器是一種常見(jiàn)的定時(shí)控制集成電路，學(xué)生自主思考，用555定時(shí)器及外圍電路元件設(shè)計(jì)定時(shí)控制電路，鞏固555定時(shí)器的工作原理及應(yīng)用，所設(shè)計(jì)的定時(shí)控制電路如圖5所示。

3.2.5 綜合電路仿真調(diào)試

完成了各電路模塊的設(shè)計(jì)與仿真后，學(xué)生將各單元電路模塊連接形成綜合電路（圖6），并進(jìn)行綜合仿真調(diào)試，進(jìn)一步修正參數(shù)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過(guò)此環(huán)節(jié)訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生系統(tǒng)集成與調(diào)試能力，提高了學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。在綜合電路中，輸入放大電路的矩形波幅值10mv，頻率2Hz，定時(shí)電路定時(shí)15秒，脈搏測(cè)試儀在15秒內(nèi)測(cè)得的脈搏數(shù)為119次/min，誤差為1次/min，仿真驗(yàn)證總體達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3.3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)操與答辯

完成綜合電路仿真調(diào)試后，項(xiàng)目研究進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操與答辯環(huán)節(jié)。在實(shí)操環(huán)節(jié)，教師預(yù)定時(shí)限并根據(jù)學(xué)生實(shí)操效果進(jìn)行評(píng)分，學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室資源進(jìn)行硬件電路的搭建與測(cè)試，分析并解決相關(guān)問(wèn)題。學(xué)生整理項(xiàng)目研究成果，凝練形成完整的研究報(bào)告，制作PPT進(jìn)入答辯環(huán)節(jié)。答辯評(píng)定過(guò)程中，教師依據(jù)過(guò)程考核指標(biāo)，結(jié)合研究報(bào)告和匯報(bào)情況評(píng)定該環(huán)節(jié)的成績(jī)，匯總各環(huán)節(jié)成績(jī)給出項(xiàng)目最終評(píng)分。

4 強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練

為了強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求搭建人工智能和機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐基地，依托基地平臺(tái)將電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)與人工智能技術(shù)結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生參加專業(yè)學(xué)科競(jìng)賽、申報(bào)大創(chuàng)項(xiàng)目等。電氣專業(yè)學(xué)生在近年的創(chuàng)新實(shí)踐中，全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽獲省級(jí)及以上獎(jiǎng)項(xiàng)30余項(xiàng)；全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)1項(xiàng)；中國(guó)大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽獲省級(jí)以上獎(jiǎng)項(xiàng)4項(xiàng)；中國(guó)國(guó)際大學(xué)生創(chuàng)新大賽貴州省賽獲銀獎(jiǎng)2項(xiàng)；成功申報(bào)全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目7項(xiàng)。

5 結(jié)論

以“思政元素+工程案例+學(xué)科競(jìng)賽+大創(chuàng)項(xiàng)目”融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)模式為指導(dǎo)，通過(guò)明確思政目標(biāo)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采取競(jìng)賽和項(xiàng)目研究的教學(xué)方式實(shí)施教學(xué)改革，有效引導(dǎo)了學(xué)生深入理解理論知識(shí)和工程背景，系統(tǒng)拓展了知識(shí)結(jié)構(gòu)；學(xué)生自主優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，將理論知識(shí)與工程實(shí)踐深度結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際作出決策的能力；學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路并仿真，對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)進(jìn)行鞏固并拓展應(yīng)用，強(qiáng)化虛擬儀器的使用技能，掌握了電子電路設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操與答辯環(huán)節(jié)鍛煉了學(xué)生系統(tǒng)集成和調(diào)試處理能力，提高了學(xué)生對(duì)知識(shí)的凝練表達(dá)能力。以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生積極參加專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐，強(qiáng)化了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，增強(qiáng)了創(chuàng)新意識(shí)。改革實(shí)踐對(duì)工科專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)具有借鑒意義。

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