數字邏輯電路立體化實驗教材建設

馬漢達　鮑可進

摘要：從實驗教材的建設背景出發，分析目前實驗教材存在的問題，闡述立體化教材的概念，從實驗教材的編寫思路、實驗內容編排、實驗報告規范、數字化的實驗資源4個方面探討數字邏輯電路立體化實驗教材建設的體會。

關鍵詞：數字邏輯電路；立體化實驗教材；實驗報告

0 引言

教育部《關于全面提高高等教育質量的若干意見》的第八條明確提出強化實踐育人環節。制訂加強高校實踐育人工作的辦法，強化實踐教學環節，結合專業的特點和人才培養要求，分類制訂實踐教學標準，增加實踐教學比重，確保各類專業實踐教學必要的學分（學時），配齊配強實驗室人員，組織編寫一批優秀實驗教材，提升實驗教學水平。“十二五”以來，這些有關加強實驗教學改革文件的出臺，表明深化實踐教學方法改革，加強學生實踐能力和創新能力的培養，已經到了刻不容緩的地步。教育部指出，要把加強實踐教學方法和人才培養模式改革作為專業建設的重要內容。加強實踐教學，實驗教材改革是改革教學內容和教學方法的關鍵一環，實驗教材質量的好壞、水平的高低直接影響到學生的培養質量。

1 目前實驗教材存在的問題

目前，我國高校實驗教材整體上沒有擺脫依附并服務于課程的格局，而且以單一的紙質實驗教材為主，其他形式的實驗資源比較匱乏，傳統教材能滿足系統化實驗教學的需要，但在培養學生創新能力和實踐能力方面存在明顯的不足。近年來，很多高校對傳統實驗項目和內容進行了一系列改革，減少了驗證性實驗項目，增加了綜合性、研究性和設計性實驗項目，但仍然沒有脫離課程體系，只是傳統實驗項目的修改與增刪，還是按照原有的知識體系，配合理論教學而開展的輔助性實驗教學活動，其目的仍然是為了強化理論教學，幫助學生鞏固和掌握理論知識，沒有把學習方法作為實驗教學的重點加以重視。在實驗教材的內容編排上還是按照實驗目的與原理，操作步驟與方法這一傳統教材的樣式，并沒有從引導、啟發的角度進行組織，一些學校自己印刷的實驗指導書，離正式出版還有一定的距離，也沒有其他數字化的輔導性材料。總之，現在的實驗教材，按照粗放而統一的要求，讓學生“按方抓藥”式地進行驗證，學生的自主學習能力和創新能力得不到鍛煉。

“十二五”以來，深化實踐教學改革，加強學生實踐能力和創新能力的培養，實驗教材的建設已引起各高校的重視。同時，科技的發展與知識的更新也促進了實驗教學設備的改進，也促進實驗教材的改進。因此，在實驗教材的建設上，針對上述問題，必須按照學生的能力體系來構建實驗教學體系，把信息技術與實驗教學內容進行有效整合作為一個重要任務來抓，在寫好傳統紙質教材的同時，建設適合開放教學和創新能力培養要求的多媒體實驗教學資源。

2 數字邏輯電路立體化實驗教材建設

學習最終還是要歸本的，教材是學生學習的主要參考書和理論依據，立體化實驗教材主要包括實驗教程（主教材）、實驗報告、多媒體課件以及其他與實驗有關的實驗教學資源，立體化教材提供了一種綜合性的教學資源，加快了實驗教學內容、教學體系和教學方法及手段的改革，優化實驗教學過程，推動創新教育模式，教材質量的高低會對教學效率以及學生學習水平產生直接的影響。數字邏輯電路的實驗內容具有一定的獨立性，實驗項目的設置、實驗軟件的使用、儀器設備、實驗開發語言等在理論課中很少涉及，因此，開發數字邏輯電路的立體化實驗教材具有可行性。筆者將從實驗教材的編寫思路、實驗內容編排、實驗報告規范、數字化的實驗資源等4個方面來探討數字邏輯電路立體化實驗教材建設。

2.1 實驗教材的編寫思路

為了配合開展實踐教學及適應教學改革的需要，提高實驗教學質量，要不斷改革實踐教學內容和教學方法，高質量的實驗教材是關鍵，為此我們組織技術骨干編寫實驗教材。在數字邏輯電路立體化實驗教材的建設上，除了介紹實驗的基礎理論知識外，堅持“以高水平的實驗吸引人、以數字化的資源方便人”為宗旨，以提高學生實際動手能力和工程設計能力為目的，尊重學生的個性差異和工程素養差異，精心選擇實驗教學內容。

2.2 實驗教材的內容編排

在實驗大綱允許的范圍內，我們采用的方法是“給通才定規則，給天才留空間”，在實驗教材的編寫過程中，在大綱規定的基本要求的基礎上，精心選擇了新穎、有趣，實用性、可行性較強，有助于培養創新型人才的15個不同難度的基礎實驗和5個典型的綜合性、設計性實驗，可供不同專業、不同層次、不同學時數的學生使用，這些實驗基本包含了本專業課程標準要求的相關知識點，幫助學生將教材上的分立知識點有機地、系統地聯系起來，培養綜合分析、設計、制作和調試的能力。設計的每個實驗項目都具有一定的層次性，即同樣的實驗項目，可以設計的簡單些，也可以設計的復雜些，分層次對學生提出要求，對能力差的學生，引導其如何將理論與實際結合起來，把設計思想弄清楚，使其有能力完成實驗的基本要求；對能力強的學生提出更高要求，采用啟發式的方法，充分發揮學生的主體作用，鼓勵他們根據自己的能力，提出多種設計方案，體現教學內容的可伸縮性和開放性。

實驗預習是提高實驗效果的一個重要環節，只有預習充分，實驗操作時才會做到思路清晰。實驗預習質量的高低取決于實驗教材的質量。為此，在編寫實驗教材時，對每個實驗項目除了常見的實驗目的、實驗原理、實驗內容、實驗步驟外，對實驗預習、實驗思考與提高等也提出明確要求。在預習要求中明確了實驗預習必須完成的任務，要求學生理解每一個實驗的實驗原理、編寫或完善實驗代碼等強制性的任務，從而增加了學生對實驗原理、開發語言、實驗代碼的理解。在實驗過程中按照實驗步驟完成實驗要求，在完成實驗的基本要求后，通過實驗思考與提高來提高學生的分析與設計能力。例如，在進行7人表決器電路的設計時，設計方法很多，可以使用原理圖方法實現，還可以使用VHDL語言實現，而使用VHDL語言可以使用行為描述、結構描述、數據流描述3種方法。在實驗思考與提高中，要求學生比較各種實現方法的區別，可以對實驗提出更高的要求，如要求將表決結果在數碼管顯示出來、7個人中有一個人具有否決權、限制表決時間等提高要求，要求學生修改代碼實現相應功能，從而加深對組合邏輯電路設計的理解和硬件描述語言描述組合邏輯電路的方法。endprint

2.3 實驗報告格式的規范

“問題式”教學或“任務式”教學是經常采用的有效的教學方式，有利于學生明確學習目的，能夠激發學生的學習積極性，改善以往被迫學習的方式，變被動為主動，增強實踐動手能力。計算機科學是一門實踐性很強的學科，強調的是“做中學”，就是指在完成實驗的過程去學習，在完成報告中去加深理解。實驗報告是實驗過程的記錄、實驗現象的分析和實驗的總結，書寫實驗報告是實驗教學的重要環節。

在數字邏輯電路實驗中，我們規范了實驗報告內容和要求，并單獨印刷成冊，在實驗報告的設計上，改變以往使用統一的實驗報告紙的形式，實驗報告中不需要學生抄寫實驗目的、實驗原理等內容，而是將實驗內容和要求設計成各種不同的任務，按照實驗步驟來完成這些任務時就完成了實驗報告。在報告中，只需寫出實驗代碼的關鍵部分，調試實驗代碼、畫出實驗的仿真波形、寫出設計中的管腳分配關系，使用測試數據進行實驗驗證、分析實驗現象、將實驗過程中出現的問題進行實驗總結，回答實驗思考題，從而加深對實驗原理的理解，提高設計能力。通過書寫實驗報告，培養了學生認真做好實驗，仔細觀察實驗過程中所發生的現象，有利于加強對理論知識的理解和記憶，促使學生重視基本技能的學習及應用。一份高質量的實驗報告應能反映出學生的綜合素質，如高度的注意力、敏銳的觀察力、豐富的想象力、準確的判斷力、科學的思維能力和正確的表示能力。

2.4 開發豐富的數字化實驗資源，構建網絡化的實驗教學輔助平臺

數字化實驗教學資源是立體化實驗教材的重要組成部分，可以解決目前實驗教學資源相對單一的問題，在進行實驗教材建設時，利用網絡技術開發數字化實驗教學資源，構建網絡化的實驗教學平臺。在數字化實驗教學資源建設時，要避免實驗教材的電子化，開發能滿足創新人才培養、適應開放式實驗教學要求的多媒體實驗資源，使學生能借助校園網絡環境，利用數字化資源進行實驗前預習、討論，甚至自行提出實驗方案，開展實驗后總結和實驗數據分析。網絡化的實驗教學輔助平臺，主要包含實驗儀器的使用、開發軟件的使用，實驗中常見的問題及解決辦法，讓學生借助輔助平臺解決實驗過程中出現的問題，這樣減輕了教師的指導工作，同時也為開放實驗教學提供條件。學生通過對數字化實驗教學資源的有效利用，革新了傳統“按部就班”式的實驗教學模式，激發學生的主觀能動性，調動師生積極參與實踐活動，在實驗中提高了學生分析問題、解決問題的能力，培養其創新意識和創新能力。

3 結語

立體化實驗教材建設實現了實驗教學信息化、網絡化。整合實驗教學資源，優化實驗教學要素的配置，是一種新型的整體實驗教學解決方案，不僅充分考慮到任課教師的教學需要和學生的學習要求，還能促進教學改革的不斷深入，促進教學水平的不斷進步和教學質量的不斷提高。數字邏輯電路立體化實驗教材的紙質教材、實驗報告已使用了兩年，電子課件以及數字化實驗資源及輔助實驗平臺也在實踐中得到完善，滿足了個性化、層次化、開放性實驗教學的要求，有利于大學生自主學習能力和創新能力的培養，也為培養適應信息化社會學習、生活和工作的高素質人才奠定堅實的基礎。目前《數字邏輯電路設計實驗教程》已作為高等院校實驗與實踐系列示范教材在清華大學出版社出版，對計算機硬件課程的實驗教材建設具有一定的示范作用。

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（見習編輯：劉麗麗）endprint