基于“口袋實驗機”的數字邏輯實驗自主式學習改革及實踐

蔡春曉　孟德明　周巍　李燕龍

【摘 要】針對目前的電子類實踐教學模式下，分析了目前數字邏輯實驗存在的問題，提出基于口袋實驗機的自主學習模式的數字邏輯實驗改革方案，包括口袋實驗機設計，強調學生自主設計，建立團隊機制，訓練工程交流能力等，同時加強實驗預習環節管理，優化課程網絡資源。實踐結果表明，改革方案對提高學生學習的積極性和主動性是有效的。

【關鍵詞】口袋實驗機；數字邏輯實驗；自主式學習；實踐教學

The Experimental Reform and Practice of Self Regulated Learning in Digital Logic Experiment Based on Pocket Experiment Machine

CAI Chun-Xiao MENG De-Ming ZHOU Wei LI Yan-Long

（National Demonstration Center for Experimental electronic circuit Education （Guilin University of Electronic Technology）Guangxi Guilin，541004，China）

【Abstract】In view of the electronic practice teaching mode at present， analyzes the current problems existing in the experiment of digital logic， the autonomous learning mode of pocket experimental machine digital logic experiment reform scheme based on， including the design of pocket experiment machine， we emphasize the students design， build team system， training the engineering ability to communicate at the same time， strengthen the management of experiment preparation link the optimization of course， cyber source. The practice results show that the reform program is effective to improve the enthusiasm and initiative of the students.

【Key words】Pocket Experiment Machine； Digital Logic Experiment；Autonomous Learning；Practice Teaching

目前的電子類實踐教學模式下，學生的實踐方式主要是在實驗室實驗箱上進行，按固定的實驗步驟完成實驗，從很多方面顯露出不足。實驗教學過程中，發現學生學習不主動，自主學習能力差，解決問題能力差等問題。目前國外很多高校已經開始實施口袋實驗室的探索，如英國德蒙福特大學為學生準備了一套基于微控制器或FPGA的最小系統開發板作為口袋實驗室平臺，學生在課內實驗以及畢業設計階段，均可以此平臺展開實驗。另一方面，國際知名公司也紛紛注意到“口袋實驗機”在高校中的流行趨勢，并積極推出相關產品支持這一實踐教學模式。該實踐教學模式可以充分培養學生的自學能力和創新能力，擴展實驗空間、解決實驗學時有限的問題。本文主要介紹如何利用“口袋實驗機”開展自主學習模式的數字邏輯實驗改革。

1 自主式學習教學模式設計

針對數字邏輯電路實驗課程的特點，設計口袋實驗機是（5V保護電源+通用芯片座+若干邏輯開關+若干LED電平指示+若干數碼管顯示+脈沖源+調試邏輯筆+自定義器件），可以完成大實驗箱的所有的功能。學生攜帶數電實驗口袋機出實驗室，基本在課外或課內完成數字邏輯實驗的所有實驗，既可以改善實驗室資源不足的問題，又可以充分調動學生學習積極性。

自主式學習教學模式設計是個系統工程，不僅要進行軟硬件的設計和更新采購，還有相關實驗內容的設計、實驗方法改進、實驗課程改革、實驗室管理制度改革等工作。根據口袋實驗機的特點，提出了以下培養方案。

1.1 強調學生自主設計

改革實驗方式，即摒棄傳統的給定課題、給定實現方法的實驗模式，改為給出課題要求，由學生構思設計目標，確定設計方案。最后根據設計方案實施直至最后調試運行，使學生從構思、設計、實現到運行各個環節都能得到訓練。

由于整個過程均以學生為主體，由學生自己決定具體的預期功能、設計方案及最終實施，極大刺激了學生的探索心理與設計欲望，顯著提高工程實踐課程的訓練效果。

1.2 建立團隊機制

團隊合作精神是現代工程師應具備的重要素質之一。作為工程實踐類課程，從構思選題、方案選擇再到元件準備再到最后實施，工作量大。因此，基于口袋實驗機實施數字電路實驗課程的教學時，要求首先確定團隊。一般以2-3人一組，設置小組長一名，負責全組的設計開展工作。

1.3 訓練工程交流能力

傳統工科教育側重于技術本身，然而超技術范圍的個人素質，對產品設計的質量起著關鍵性作用。其中，交流表達能力是重要因素之一。因此，我們在設計教學過程時，采取了以下措施，分別從口頭表達與書面表達兩方面來訓練學生的表達能力。

1.3.1 增加課程討論環節

要求團隊內部成員進行討論，給出綜合設計方案。然后再以團隊之間進行設計方案的比較，即要求學生不但能看到其他團隊的設計優點，也要能指出對方方案的缺點，并充分闡述設計方案的理由等。endprint

1.3.2 增加方案陳述環節

專門設置方案陳述環節，要求各團隊制作演示文檔并對方案作說明。聽取方案說明的對象主要為工程經驗豐富的老師與校外工程師。方案說明會后對各團隊給出評價，作為課程總評的一部分。

1.3.3 重視設計文檔

書面表達能力顯然是表達能力的重要組成部分。要求學生以團隊為單位，撰寫設計報告。報告中除了要求詳細說明設計目標、參數指標、結果展示等，還要求闡明團隊成員承擔的主要任務，對課題任務完成作出的貢獻等。

2 具體實施方案

在第二次實驗（組合邏輯電路設計與測試）開課后，學生對數字邏輯實驗有了一定概念后，將數電實驗口袋機發放給學生，配備若干導線和芯片，說明使用實驗小板要求和布置每節課實驗預習及驗收評分要求，讓學生明確實驗任務。學生領到實驗小板后，可以在實驗室上課，還可以帶出實驗室做實驗預習、設計性實驗、綜合性實驗及課外復習等。可以利用數電實驗口袋機開展實驗的系列實驗內容有：數據選擇器和譯碼器及其應用、計數器及其應用、順序脈沖與序列脈沖發生器、基于555的兩位可逆計數器等實驗項目。

為了適應自主學習模式，相關配套資源的建設如下：

（1）設計實驗預習和實驗報告一體化模板：實際調查發現有兩個問題，一是學生實驗項目個數多，需要學生花大量時間進行預習報告和實驗報告書寫；二是過多的實驗報告導致實驗報告質量不高，抄教材甚至互相抄襲。為此，對實驗報告進行如下改革：對于基本驗證性實驗，提供統一電子模板，學生只需記錄和分析實驗數據；對于綜合性實驗和擴展內容，需要遞交完整的設計報告。這樣，既可以減輕學生負擔又兼顧了報告的完整性。提供實驗報告模板使學生明確了實驗任務，使預習有很強的針對性。

（2）電子電路基礎實驗課程網站建設：通過網絡化課程學習加深學生對同修理論課程知識的理解，強化自主學習能力，提高創新思維能力，突出以學生為中心的理念。為學生合理利用“碎片化”學習時間，拓展課程理解的深度、難度，實行跨學科、跨專業、跨院系選課和學習提供了新的途徑，替代傳統教學的時空拓展。發揮網絡優勢：興趣引導，資源開放，時間隨意，地點不限，反復學習。依托和共享的教學資源，滿足不同層次教學需求和學生個性化培養提供了良好的途徑。通過建設課程網站，為學生提供了全部課題的教案、課件、實驗重難點指導、參考文獻、網絡實驗視頻等內容，為學生的課前預習、課堂實驗、課后總結以及實驗報告撰寫創造了條件。學生還可在網上進行實驗（虛擬實驗），將課堂進行了有效的延伸。此外，網站為教學交流提供了優良的環境，教師可及時發布教學信息，包括資料、教學安排以及教學內容的更新等；學生可即時反饋意見，拓寬了師生交流的平臺。

3 教學效果調查與分析

為調查數電實驗口袋機的實際使用效果，設計了調查表，發給120位學生進行調研。

表1

調查結果表明：

（1）實驗室提供的實驗報告模板使學生明確了實驗任務，使預習有很強的針對性；

（2）實驗室提供的實驗小板方便學生在宿舍做實驗，方便邊學習邊實踐，也方便宿舍成員間交流探討，釀造熱愛學習的氛圍，也方便復習和鞏固未掌握的實驗內容。

（3）實驗室提供的課件和視頻方便了學生實驗課程學習，學生對課堂上講授的重難點環節可以反復觀看學習，直至理解、操作熟練。

4 結束語

實踐表明，基于“口袋實驗機模式”的數字邏輯實驗課程的改革，極大地提高了該課程的教學質量和教學效果，增強了學生對該課程的學習興趣，調動了學生的學習積極性和自主性，初步培養學生工程實踐能力。

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