以能力培養為導向的數字系統與邏輯設計實驗教學改革

張雅楠 張姍姍

摘要：為了提高學生的實踐和創新能力，對數字系統與邏輯設計實驗教學進行了改革。包括優化調整實驗內容;引入現代化信息技術輔助實驗教學;采用啟發式教學鍛煉學生的邏輯思維能力，引導其自主學習。實踐結果表明改革后的實驗課程能充分調動學生的積極性，提升了學生的綜合實踐能力。

關鍵詞：能力培養;實驗內容;信息技術;啟發性教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）34-0122-02

數字系統與邏輯設計課程是電子信息類專業一門必修的核心專業基礎課，具有很強的實踐性。實驗教學是培養應用型高級工程技術人才的一個非常關鍵和重要的環節，可以大幅度提升學生的動手能力、理論聯系實際的能力和創新思維能力[1]。隨著新一輪教學改革的深入，本文以數字系統與邏輯設計實驗課程的持續改革為核心，從實驗內容、教學手段和教學方法進行了改革探索，從而變實驗輔導為實驗引導，不斷提高學生工程應用能力和自主創新能力。

1 實驗內容

以往的實驗教學明顯附屬于理論教學，目的主要是驗證和加強對部分理論知識點的理解。因此設計的各個實驗項目相對獨立，關聯性不強[2，3]，不利于培養學生對數字電路知識的綜合應用能力。而且實驗項目偏于理論化，脫離日常生活，不利于鍛煉學生解決實際問題的能力。針對這些問題，結合多年的教學經驗編寫了校本實驗教材，包括如下實驗內容：

1.1合理分配不同類型實驗的比例

實驗一、四、十、十一以驗證內容為主，目的是讓學生掌握實驗儀器的使用方法、數字邏輯電路的搭建和功能驗證方法。其他實驗項目以設計性內容為主，只給出集成電路型號和要求實現的功能，不再固定具體的實驗步驟，由學生查閱資料，獨立完成設計、功能驗證、撰寫報告的過程。如設計“交通燈故障檢測器”“輸血適配器”“流水燈電路”等，讓學生邊做邊學，從而鍛煉應用數字系統與邏輯設計知識解決實際問題的能力。實驗十二為綜合設計性實驗，用于考核學生對門電路、組合邏輯電路和時序邏輯電路的綜合應用、設計能力，以及分析實驗現象、排除故障的能力，題目為多選一，如“汽車尾燈控制器”“籃球記分器”“搶答器”等。

1.2實驗項目的實用性和趣味性 設計每項實驗內容時，不再以驗證理論教材的知識點為主，而是考慮電路的實用性、趣味性，從而調動學生的興趣，變被動驗證為主動探索，應用理論知識來解決實際問題。如“譯碼器和數碼顯示實驗”中，為了讓學生掌握譯碼器的片選功能和數碼管的顯示原理，設計的實驗內容為：首先讓若干數碼管顯示“ □□ ”等數字諧音碼，然后利用譯碼器任意控制某個數碼管的點亮和熄滅。實驗過程中，學生們都積極地進行設計和演示，部分學生的電路結構和顯示結果很有新意。

1.3 遞進式實驗內容

實踐動手能力的培養必須遵循從基本操作技能到綜合設計能力的過渡[4]，所以將實驗內容分成基本部分和擴展部分，根據學生的具體情況做到因材施教。譬如在完成“觸發器構成4位移位寄存器”實驗后，有能力的學生可以選做“流水燈電路”的設計，使實踐能力得到進一步提升。

2 信息技術輔助實驗教學

數字系統與邏輯設計實驗在實驗箱上進行，電路連線復雜容易出錯，排查故障困難，極易打擊學生的熱情。學生設計實驗方案時，經常受到實驗室現有元器件的制約，不能充分發揮創造性。采用現代化信息技術輔助實驗教學是一種行之有效的解決方案。

2.1 多媒體技術的應用

多媒體技術具有豐富的表現形式，可以多方位刺激學生的感官，從而提高學習效率。先進的信息技術可以創造出生動形象的教學情境，從而激發學生的興趣，主動學習。

為了鍛煉學生的基本實驗技能，我們制作了“數字電路常用儀器”課件，包括實驗箱、集成電路測試儀和示波器。制作時采集了大量實物圖片，盡量還原現實場景，使學生最大限度地熟悉實驗設備。課件具有明確的提示和清晰的導航按鈕，使用方便。如鼠標劃過儀器圖片，屏幕提示該儀器在實驗中的作用，并說明點擊圖片可查看具體的使用過程。課件還充分利用人機交互功能，使學生邊瀏覽邊動手操作，切實鍛煉實驗技能，以便于在真實實驗中提高成功率。

為了使學生牢固掌握數字電路理論知識，從而在綜合設計實驗時能夠得心應手，我們制作了“數字系統與邏輯設計實驗”課件，內容包括理論知識、故障排查和習題測試。理論知識主要以動畫的形式介紹了常用集成電路的封裝、型號和邏輯功能;故障排查列舉了常見故障現象、可能原因和檢查方法，以引導學生自行解決問題;習題測試檢查學生的自學情況。

多媒體課件的使用，使學生在任何時間地點都可以進行實驗操作訓練，從而鍛煉動手能力，提高實驗效率。

2.2 虛擬仿真軟件的應用

Multisim14仿真軟件非常適合數字系統與邏輯設計實驗教學，其自帶的元件庫涵蓋了絕大多數常用電子元器件，可以方便地進行電路的設計與仿真分析[5，6]。虛擬實驗在本實驗教學中的應用主要體現在以下方面：

1）掌握常用集成電路的邏輯功能：每項實驗都涉及一種新的集成電路，可以讓學生在實驗前通過仿真軟件查看其邏輯功能，且可多次反復操作，以提高熟練程度，從而為后續的設計內容打好基礎。

2）驗證和優化設計方案：每項實驗的設計部分，學生可以通過仿真軟件進行功能驗證，通過后再在實驗室搭建實際電路完成。如果發現設計方案有問題，或者電路太過復雜，還可以方便地通過軟件進行修改，省去了在實驗箱上多次連線、排查故障的過程。通過仿真軟件，還可以方便地對多種方案進行設計，并查看結果比對優缺點。

采用虛擬仿真軟件輔助實驗教學，提高了學生的實驗成功率，開拓了學生的數字電路設計思維，得到了良好的教學效果。

3 啟發式教學方法鍛煉學生的數字邏輯思維

啟發式教學作為一種教學指導思想和總的教學方法，已為廣大教育工作者所熟悉和接受。在數字系統與邏輯設計實驗教學中應用啟發式教學方法，主要應注重啟發學生的數字邏輯思維和實際動手操作能力[7，8]。通過啟發引導，使學生在學習數字電子技術實驗內容的同時掌握對電路進行設計、分析的技能和方法。

在基礎實驗中增加比較、分析、討論的環節，引導學生理解不同的邏輯特性對數字電路設計的影響。如設計M進制計數器的方法有反饋清零法或反饋置數法，反饋清零法又涉及同步清零和異步清零的問題。實驗前要求學生用仿真軟件分別依據3種方法設計電路，并描述設計過程，總結設計的區別和注意事項，從而加深對知識點的理解。

對于綜合設計題目，啟發學生分析電路的核心功能，然后嘗試不同的設計方案，最終分析各種方案的優缺點并做出選擇，從而提高解決實際問題的能力和創新能力。比如“搶答器的設計”實驗，其根本功能是實現數據的鎖存和顯示，而觸發器、計數器、移位寄存等集成電路都具有鎖存功能。所以在三個實驗中都安排了設計搶答器的擴展環節，到最后的綜合設計實驗，學生自然而然地知道設計方案的多樣性以及每種方案的電路結構和特性，從而做到隨意發揮。

4 結論

本文以能力培養為導向對數字系統與邏輯設計實驗教學進行了一系列的改革，使學生明確了理論知識與實際應用的聯系，激發了學生對實驗課程的興趣，提升了解決實際問題的能力和創新能力。學生質量不斷提高，在各類競賽中成績突出，獲得社會廣泛認可。

參考文獻：

[1]羅海波，阮志強，林文忠，應用型本科高校數字系統綜合能力培養的探索與實踐[J].教育現代化，2019（56）：160-162.

[2]鄧文婷，基于應用的電子技術實驗課程改革與實踐[J].實驗科學與技術，201 8，6（3）：104-106.

[3]劉秀峰，創新實驗教學在數字電子技術課程中應用的探索[J].職校論壇，2013（11）：292.

[4]蔡紅娟，蔡苗，翟晟.獨立學院“電子線路實驗”教學改革探索[J].實驗室研究與探索，2011，30（9）：287-289

[5]王旭.Multisim14.0軟件在數字電子技術教學中的應用[J].電子技術與軟件工程，2018（14）：54-55.

[6]易向東，基于虛擬仿真技術的數字電路課程教學改革與實踐[J].科技創新導報，2018（1）：225-226.

[7]劉燕.啟發式教學在數字電子技術實驗課程中的應用研究 [J].電腦與電信，2016（07）：39-40.

[8]馬軍榮，思維教學在數字電子技術中的應用[J].科教論壇，2018（11）：44.

【通聯編輯：光文玲】

收稿日期：2019-08-22

基金項目：大連海事大學校級教學改革項目，“基于三學期教學模式的信息類實驗教學改革與研究”（項目編號：2018Y30）

作者簡介：張雅楠（1982-），女，遼寧海城人，工學碩士，大連海事大學信息科學技術學院實驗師、實驗教師，主要研究方向為電子技術相關課程的實驗教學。