數字電子技術實驗教學的改革與探索

張天鵬，張瑋瑋，侯　君（安陽工學院，河南安陽455000）

數字電子技術實驗教學的改革與探索

張天鵬，張瑋瑋，侯君
（安陽工學院，河南安陽455000）

摘要：數字電子技術實驗教學是電子信息類相關專業的重要實踐教學環節，對培養學生的實踐能力、團隊協作能力、創新能力等有積極作用。文章從一體化實驗室建設、實驗內容優化設計、教學過程組織及考核方法等方面，對如何提高數字電子技術實驗教學質量和學生個人能力，作了一系列的改革和探索。實踐證明，通過對實驗教學的改革和實施，取得了可喜的成果，學生的知識應用能力、邏輯推理能力、動手操作能力、創新能力等得到了提高，達到了教學目的。

關鍵詞：數字電子技術；實驗教學；教學改革；教學組織

D01：10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.04.030

0引言

數字電子技術課程是本科電類相關專業的一門重要技術基礎課程，“數字電子技術”實驗教學是數字電子技術課程教學的重要組成部分，是對課程理論教學的有益補充。通過實驗教學，可以使學生將理論知識和實踐應用聯系起來，在學習理論知識的同時，學習和掌握運用實驗手段獲取數字電子技術相關知識的基本技能，提高學生的實踐操作能力和知識應用能力［1］。

2009年，安陽工學院（以下簡稱“我校”）的電子電氣實驗教學中心被評為河南省實驗教學示范中心，為了與應用型本科人才培養相適應，推動數字電子技術實驗教學的發展，在教學指導思想上堅持“以學生為本，知識傳授、能力培養、素質提高、協調發展”的教育理念和“以能力培養為核心”的實驗教學觀念，對數字電子技術實驗教學進行了改革與探索。

1一體化綜合實驗室建設

數字電子技術基礎實驗室的儀器設備主要由TPE-D3數字電路實驗箱、模擬示波器、數字萬用表等構成，原有實驗設備使用簡單、工作可靠，但只能進行由中、小規模集成電路構成的驗證性實驗和簡單的設計性實驗，對一些較復雜的實驗電路，實現起來比較困難。隨著數字電子技術和微電子技術的發展，數字邏輯器件已由中、小規模的集成電路發展到大規模、超大規模的可編程邏輯器件，特別是近幾年CPLD、FPGA、ISP等各類新型可編程邏輯器件出現以及基于EDA仿真軟件的發展，原有基礎實驗室已不能適應數字電子技術發展得需求，必須對實驗室進行升級改造［2］。

實驗教學中心從2009年開始著手建設數字電子技術綜合實驗室，目前已將該實驗室建設成為能夠滿足理論教學和實驗教學需求的一體化綜合實驗室，該實驗室主要由TDS-4數字系統實驗箱、計算機、數字示波器、數字萬用表等實驗設備以及多媒體教學設備構成。TDS-4數字系統實驗箱不但可以進行數字電路基礎實驗，而且增加了可編程邏輯器件實驗板，可以利用CPLD、FPGA等器件完成交通燈控制電路、數字頻率計電路等綜合性實驗。此外，還可以利用計算機進行EDA仿真實驗和教學。一體化綜合實驗室為數字電子技術實驗教學提供了較好的實驗場所，為提高數子電子技術實驗教學的質量提供了物質保障。

2實驗教學內容的優化設計

數字電子技術基礎實驗室原有實驗內容較簡單，驗證性實驗較多，設計性、綜合性等提高性實驗較少，為了能夠更好地適應應用型本科人才培養的要求，在實驗教學學時不變的情況下，結合數字電子技術綜合實驗室的特點，對實驗教學內容進行了優化設計。

2.1優化驗證性實驗

驗證性實驗是為了讓學生掌握基本實驗技能和實驗方法、熟悉基本實驗儀器的使用方法、掌握實驗數據的處理方法而開設的實驗，是對理論教學的深化和補充［3］。在安排實驗教學內容時，通過開設門電路邏輯功能及測試實驗，使學生熟悉基本實驗儀器的使用方法和基本門電路邏輯功能的測試方法；通過將譯碼器邏輯驗證和數據選擇器邏輯驗證兩個實驗合并為譯碼器和數據選擇器的應用實驗，將觸發器功能測試和觸發器的應用兩個實驗合并為集成觸發器的應用實驗，減少了驗證性實驗的個數和實驗學時。制定驗證性實驗的實驗內容時，在驗證器件邏輯功能的基礎上，增加了器件的應用內容，使學生在驗證理論知識之后，能夠思考如何使用這些器件。例如，在集成觸發器的應用實驗中，首先進行74LS74（雙D觸發器）和74LS112（雙JK觸發器）的邏輯功能測試，然后進行觸發器應用內容，即觸發器邏輯功能轉換和由74LS74構成單脈沖發生器。

2.2加大提高性實驗的比例

提高性實驗包括設計性實驗和綜合性實驗，設計性實驗主要是指在教師給定實驗內容、技術指標和基本要求的基礎上由學生自行設計實驗電路、制定實驗方案，并進行實驗實現的實驗；綜合性實驗主要是指學生綜合運用數字電子技術的理論知識，對實驗技能和實驗方法進行綜合訓練的實驗［4］。設計性和綜合性實驗有利于充分發揮學生的主觀能動性和創造性，提高專業知識的應用能力和實驗技能，培養學生運用所學理論知識和工程觀念分析問題、解決問題的能力。在制定提高性實驗內容時，增加了四人搶答器電路、交通燈控制電路、數字頻率計電路、汽車尾燈控制電路等設計性、綜合性實驗。通過這些提高性實驗的開設，將數字電子技術中組合邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路、可編程邏輯器件等理論知識和簡單數字系統的開發設計、EDA工具的應用等實踐動手能力結合在一起，大大提高了學生的學習興趣和實驗技能，為以后進行創新性設計打下了理論基礎和實踐基礎。

2.3增加開放性實驗

開放性實驗是在實驗室完成正常教學、科研任務的基礎上，利用現有儀器設備、環境條件、師資隊伍等資源，對學生實行全面開放的實驗，是學生充分利用實驗資源，以實驗項目為基礎而進行的有計劃、有目的的解決實際問題和實踐創新的活動。開設開放性實驗適應了高等教育深化實驗教學改革的要求，是促進學生綜合實踐能力和創新工作能力培養、提高實驗室整體效益的有效途徑［5］。在制定開放性實驗內容時，以教師的科研項目和電子技術設計大賽為依托，以大學生科技創新活動為根本，以科技開發與制作為出發點，增加了智能家居控制系統設計、溫室環境檢測與控制系統設計等實驗內容，使學生有機會接觸到一些本學科領域發展前沿的實驗項目及內容，促進學生個人素質和能力的協調發展。

3實驗教學過程的組織

3.1驗證性實驗的教學組織

驗證性實驗教學采用理論教學和實驗教學相結合的形式，教師可以采用項目式、任務驅動式、案例式等多種教學方法進行教學［6］。具體做法是首先由教師給出一個實例，引出所要講解的知識點，并對知識點進行理論講解，其次學生在教師的帶領下利用EDA工具（實驗室采用Multisim）對電路進行功能仿真，對理論知識進行驗證，然后學生自己在實驗系統中搭建實驗電路，進行實物驗證，最后教師對教學內容進行總結，并提出一些新的問題，讓學生去思考［7］。例如在講解有關譯碼器和數據選擇器的有關理論知識時，教師結合譯碼器和數據選擇器的應用實驗教學內容，首先對譯碼器和數據選擇器的作用進行講解，其次簡單分析它們的工作原理，并利用Multisim仿真軟件對譯碼器74LS139和數據選擇器74LS153進行功能仿真，然后介紹譯碼器和數據選擇器的使用方法，構建合適的應用電路并對電路進行功能仿真，再引導學生在實驗系統中進行實物搭建，完成實驗內容。這種理論教學和實驗教學相結合的形式有利于形成良好的師生互動，有利于提高學生參與教學的積極性和主動性，并且可以適當縮短驗證性實驗的實驗學時。

3.2提高性實驗的教學組織

提高性實驗教學采用學生為主、教師為輔的教學組織形式，在教學活動中整個實驗過程由學生獨立完成，教師只起組織和引導作用［8］。具體的做法是在實驗課前教師提前布置實驗內容，使學生能夠有充足的時間進行實驗預習，熟悉實驗內容和實驗要求，設計實驗電路和制定實驗步驟，并利用EDA工具（Multisim或Quartus II）對實驗電路功能仿真；在實驗課堂中，學生按照自己的設計方案搭建實驗電路，并按照制定的實驗步驟進行實驗，教師在課堂中只強調實驗的有關注意事項，對學生在實驗過程中出現的問題進行引導和啟發，讓學生在實際操作中去發現問題、分析問題，進而解決問題。這種教學方式使學生成為課堂的主角，改變了學生傳統的“被動式”學習方式，較好地調動了學生的主觀能動性，鍛煉了學生的分析問題、解決問題能力、實際操作能力和團隊協作能力。

3.3開放性實驗的教學組織

開放性實驗采用預約開放和定時開放相結合的形式進行。預約開放是指學生根據自己的學習情況和實驗室的教學安排，與實驗管理人員和指導教師進行協商，預約實驗項目和實驗時間；定時開放是實驗管理人員和指導教師利用雙休日、節假日等業余時間對外開放實驗室，學生可以按照開放時間預約進入實驗室。

開放性實驗的教學過程可以分為項目確定、項目實施和項目結項三個階段，在教學過程中指導教師是指導者、管理者和監督者，學生是實驗項目的開發者和執行者。項目確定由指導教師和學生共同完成，指導教師結合實驗資源、實驗條件和學生能力等方面對實驗項目進行可行性分析，制定實驗項目的主要內容和基本要求；項目實施主要由學生完成，學生按照實驗項目的內容和要求，充分發揮自己的主觀能動性，電路設計、元器件選擇、電路板制作、安裝調試等全由學生自主完成；項目結項是指導教師對學生所進行實驗項目的驗收，結項時，學生首先對項目的主要技術路線、實驗過程和實驗結果等進行匯報，然后由指導教師對實驗項目進行檢驗和測試，最后學生就有關問題進行答辯。實驗項目結束后，指導教師從實驗項目中挑選優秀的作品參加“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽等大學生科技創作競賽，并組織優秀學生參加全國大學生電子設計競賽、全國信息技術應用水平大賽等競賽活動。

4實驗教學的考核

為了使學生能夠認真對待每次實驗，調動學生上好實驗課的積極性，避免僅由實驗報告確定實驗成績的弊端，建立了以過程性評價為主要評價方式的實驗教學考核辦法。過程性評價強調對整個實驗過程的評價，為此，將實驗教學分成實驗預習、實驗操作和實驗報告三個過程，對這三個過程按照不同的標準進行考核［9］。實驗預習主要考核學生的邏輯思維和探索能力，考核標準是熟悉集成芯片的管腳排列、熟悉實驗要求和實驗內容、能夠給出實驗電路進行分析或設計、能夠利用EDA仿真工具對電路進行仿真。實驗操作主要考核學生的實際動手操作能力、分析問題和解決問題能力，考核標準是能夠熟練正確使用儀器設備、能夠自行搭建實驗電路、能夠自行排除故障、實驗結論正確。實驗報告主要考核學生的報告書寫能力、知識總結能力和數據處理能力，考核標準是實驗報告內容完整、實驗數據處理正確、能夠對實驗電路的分析設計和操作中出現的問題進行分析和思考、能夠總結實驗中的經驗和教訓。

單個實驗的實驗成績計算方法為：實驗成績= 20%預習成績+40%操作操作+40%報告成績，學生總的實驗成績計算方法為：實驗總成績=30%驗證性實驗成績+50%提高性實驗成績+20%開放性實驗成績，最后將學生個人的實驗成績按照30%的比例算入學生的數字電子技術課程成績。

5結論

數字電子技術實驗教學的改革是一項長期的工程，隨著數字電子技術的發展，必將對實驗內容產生深刻的影響。作為省級實驗教學示范中心，通過幾年的教學探索，在實驗教學內容、教學組織形式和考核方式等方面進行了一系列的改革，將EDA技術融入到實驗教學過程中，有效地提高了實驗教學的教學質量和學生的動手能力、思維探索能力、綜合設計能力和團隊協作能力，為后續課程的學習打下了良好的基礎。在最近幾年學生參加的各類競賽中，獲得全國大學生節能減排社會實踐與科技技能競賽二等獎1項，獲得“挑戰杯”河南省大學生課外學術科技作品競賽一等獎2項、二等獎2項，三等獎2項，獲得全國信息技術應用水平大賽PCB設計特等獎1項，獲得河南省大學生機器人競賽一等獎2項、三等獎1項，在全省有較大影響。

參考文獻：

［1］張天鵬，翟亞芳，趙紅艷.實踐教學在高校電子信息類教學中的作用［J］.安陽工學院學報，2011，10（2）：111-113.

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［3］任駿原.數字電子技術實驗教學模式的改革與實踐［J］.渤海大學學報（自然科學版），2010，31（2）：165-167.

［4］張曉暉，陳新華.“數字電子技術”實驗教學的改革與實踐［J］.實驗室研究與探索，2008，27（10）：120-121.

［5］吳羽，謝陳躍.數字電子技術實驗教學研究與實踐［J］.牡丹江師范學院學報（自然科學版），2011（3）：77-79.

［6］楊春玲，朱敏，張巖.數字電子技術基礎研究性教學方法的探索與實踐［J］.中國大學教學，2014（2）：60-62.

［7］鄭兆兆，高靜.“數字電子技術”實驗教學改革探討［J］.實驗科學與技術，2013，11（2）：103-106.

［8］王波，張巖，王美玲.“數字電子技術實驗”課程的改革［J］.實驗室研究與探索，2012，31（9）：121-123.

［9］馬曉虹，尹向雷.數字電子技術實驗教學的改革與探索［J］.實驗技術與管理，2012，29（10）：172-174.

（責任編輯：王彥永）

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：1673-2928（2016）04-0106-03

收稿日期：2015-09-02

作者簡介：張天鵬（1980-）：男，碩士，講師，主要從事電子技術的教學與科研工作。