數字電子技術實驗教學改革與實踐

　　摘 要： 作者針對數字電子技術實驗教學的重要性，以及目前實驗教學過程中存在的問題，引入實驗手段的多樣化，對實驗教學內容和方法進行了重新構建和優化，在激發學生的主動性和積極性，培養學生的分析、解決實踐能力方面取得了一定的成果。
　　關鍵詞： 《數字電子技術實驗》 教學改革 成果
　　
　　一、引言
　　《數字電子技術基礎》是高等院校電氣、電子、通信、自動化等專業必修的一門專業基礎課，我?！稊底蛛娮蛹夹g實驗》從理論課中分離出并單獨設課，其實踐性教學環節的特點是：學生在了解各種基本的邏輯電路的基礎上，不僅要能熟練運用所學的理論知識對數字電路進行分析，而且在此基礎上要能夠根據實際要求設計電路，并通過實驗來驗證其正確性，所以這門科的重點是培養學生的邏輯思維能力。數字電子技術實驗課程作為一種實踐性很強的專業基礎課，應注重在課程中培養學生進行科研的能力，要求學生在所進行的實驗中，不能只是簡單地模仿，而要有自己的東西，即“獨創”。這就需要構建合理的實驗教學體系，不僅讓學生受到系統的實驗技能訓練，掌握科學實驗的基本知識、方法和技能，而且要培養學生敏銳的觀察力，嚴謹的科學思維能力和創新能力，培養學生理論聯系實際，分析和解決科學實踐問題的能力。
　　二、傳統的教學模式存在的問題
　　數字電子技術實驗傳統的教學模式是：學生領取實驗所需的元器件，將電路在面包板上用導線搭接出來，再根據真值表逐一對電路進行驗證。這個過程在操作時始終存在著一定的問題：如果是驗證型問題還不大，但如果是設計型或者是綜合型的實驗，就有可能實驗室沒有所需的元件，學生必須用指定的芯片對已設計好的電路進行更改，并且由于設計中使用的芯片是指定，在一定程度上局限了學生的思路，限制了學生主動性和創造性的發揮，不可避免地造成設計方案雷同，缺乏靈活性。雖然這種設計方法對理論知識的理解和應用有好處，但對于一些較復雜的綜合型實驗，其實驗結果除了取決于設計繁瑣程度，還取決于硬件接線的質量（包括面包板和導線接觸良好，元器件完好，等等），這些都直接影響了實驗的成功率，因此一些學生直到最后也不知道問題所在，這在一定程度上打擊了學生的積極性。學生學完這門課后，常常感到無所適從，既不知如何系統設計，又不知如何進行芯片選擇，更談不上對電路的進一步優化，因此，驗證型的實驗在整個課程中占了較大的比例，也就不能激發學生的學習興趣，更好地培養學生邏輯思維能力，如何解決這個難題就成了當前教學中亟待解決的問題。
　　三、EDA的引入及實驗手段的多樣化
　　近年來，隨著計算機技術和微電子技術的發展，隨著電子設計自動化（EDA，Electronic Design Automation）的飛速發展和CPLD/FPGA （復雜可編程邏輯器件/現場可編程門陣列）器件的涌現，利用EDA軟件對CPLD/FPGA器件開發，已成為現代電子設計的重要手段，因此它就成為電子工程師必須掌握的基本技能。EDA技術的發展和廣泛應用，也促進了高等學校電子技術課程的體系和內容的相應改革，在發達國家許多大學已將EDA融入到實踐教學，并在工程應用中占有重要的地位。
　　傳統的硬件電路設計方法是“自底而上”，即先將眾多底層的模塊設計出來，然后按照頂層系統要求將這些底層模塊組合起來。這種設計方法的缺點是只能在整個系統建立起來后，才能進行功能的驗證，一旦出錯，需重新設計各個模塊，效率低，周期長。與它不同，EDA采用的是“自上而下”多層次的設計方法，即把系統劃分為若干個基本模塊，每個模塊再劃分為下一層次基本模塊，以此不斷往下劃分，直到基本模塊可以直接使用EDA庫中的基本元件來實現為止。MaxplusII軟件是第三代可編程邏輯器件開發系統，它可以利用原理圖輸入法、文本輸入法（硬件描述語言）或混合輸入法建立設計，輸入方式多樣化，且設計速度快，其中原理圖輸入法是公認的人機界面最友好、最易使用的方法。目前廣泛使用的硬件描述語言是VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language），也是一種國際標準全方位硬件描述語言，在電子系統自動設計十分流行，現已成為主要硬件的描述工具，它包括系統行為級、寄存器傳輸級和邏輯門級多個設計層次，具有強大的行為描述能力，可以用簡潔明確的源代碼來描述復雜的邏輯控制，且VHDL語言系統雖然很龐大，但實際應用中只需用30%的基本語句就可以完成95%的電路設計。因此在培養學生掌握傳統的硬件實驗手段的同時，引入EDA技術，可以進一步擴展學生的思維空間，培養學生的實踐能力，也可以激發學生的電子設計創作靈感，提高學生的綜合素質和創新能力，同時也可以大大提高教學效益。
　　四、整合實驗內容，構建合理實驗體系
　　構建合理的實驗教學體系，不僅能讓學生受到系統的實驗技能訓練，掌握科學實驗的基本知識、方法和技能，而且能培養學生理論聯系實際、分析和解決科學實踐問題的能力，以及嚴謹的科學思維能力和創新能力。
　　我校組織理論課教師和實驗課老師結合數字電子技術實驗已開設的實驗及現有的實驗手段，共同整理了實驗內容，構建了更為合理的實驗體系，進一步強調了實驗與理論的既配合又獨立的關系，同時編寫并出版了配套的實驗教材。
　　實驗手段從單純的硬件接線上升到軟、硬結合的層面，在實驗內容上減少了驗證型實驗，擴大了設計型的比重，增加了綜合型實驗，三個不同層次的實驗類型的比例是驗證型20%、設計型60%和綜合型40%。由于實驗教學比理論教學具有較大的自由度和想象空間，因此實驗內容可根據課程自身特點，同時兼顧學生的興趣，從多層次、多角度來考慮，充分體現了趣味性、應用性和自主性等。比如，我們設計了一個直流電機的實驗，結合理論課程的不同章節，逐步設計并完成整個設計，整個過程大致可分為三步：第一步，學完組合邏輯電路的設計后，完成電機的啟動和停止；第二步，學完時序邏輯電路的設計后，要求電機在預定的時間內啟動和停止；第三步，學完脈沖波形的產生和整形后，要求電機以不同的速度運行。其中的每一步設計，都讓學生先在MaxplusII軟件上進行設計輸入、編譯、綜合、仿真（包括時序仿真和功能仿真），最后下載到FPGA器件上進行硬件調試和驗證。整個過程一步步逐漸提高要求，增加了趣味性，同時也擴展了思維空間，培養了學生的創新精神，提高了創新能力。
　　教學方法將從前“以教師為主”，學生只能是被動的重復或按照事先已擬定好的實驗步驟按部就班地進行驗證，改變為“以學生為中心”的啟發式、討論式、探索式的教學方法。不僅如此，還實現了實驗室開放式管理，學生只需提前向實驗室預約，就可自由支配實驗時間，根據自己的能力靈活掌握實驗進程。
　　五、考核體系的建立
　　考核不僅是對學生水平的測試，而且是對教師教學效果的檢驗，因此，考核體系的質量就對一門課程的學習至關重要。考核方式在注重平時成績的同時，更注重實際能力，它有助于學生踏實地掌握所學知識。整個課程的成績評定主要分為兩個部分：平時成績和考試成績。其中：平時成績（總成績的60%）=預習報告+實際操作+實驗報告；考試成績（總成績的40%）=實驗理論知識+實際操作，其中實驗理論知識部分側重于學生們在平時實驗中容易出錯，以及需要重點掌握的內容。
　　六、結語
　　通過這些年對實驗內容和實驗手段的不斷改進，我們取得了一定的成果，同時也暴露出一些問題：第一，由于拓寬了學生的思路，他們所設計的電路千差萬別，這就需要理論和實踐能力都較強的指導老師，我校現有的師資還不能夠完全滿足要求，每個教師都長期超負荷工作；第二，由于實驗設備的數量有限，雖然有預約機制，但仍不能完全做到學生隨時都能下實驗室；第三，由于實驗的學生數量較大，管理出現困難，實驗的設備和元器件損壞明顯增加?？傊虒W改革不是一朝一夕就能完成的，它是一項復雜的系統工程，如何解決以上問題，還需要我們進行深入的探討。
　　
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