數字電子技術漸進式實驗教學改革與實踐

葉成彬

(廣州城市理工學院 電氣工程學院， 廣東 廣州 510800)

0 引言

數字電子技術是電氣、電信、機械等工科專業的專業基礎課程，其理論知識在工科專業中占有重要的基礎地位，是一門理論聯系實際非常緊密的課程[1]。該課程實驗教學對培養學生的學習能力、實踐能力及創新意識有著十分重要的作用[2]。

針對某校數字電子技術實驗課程存在的問題，為提高實驗教學質量，根據實際情況提出了一種漸進式實驗教學改革方案，構建以培養學生獨立自主學習能力、應用實踐能力和創新能力的實驗教學體系。引進Multisim14.0仿真軟件，要求學生在實驗前對相關實驗電路進行建模和仿真，有助于學生對理論知識的理解和為實驗課程中實驗平臺驗證提供一定的動手實踐基礎能力[3]。教學方案實施過程中，實驗教師嚴格要求學生按照實驗預習要求文件做好課前預習，以保證學生預習質量，彈性合理調整實驗課程各階段時間長度，保證學生有分析問題、解決問題的時間。采取小組合作預習和共同實驗、知識分享，促進學生之間的交流、培養學生團結合作精神[4]。

1 目前實驗教學存在問題

1.1 實驗前預習效果不佳

數字電子技術理論教學和實驗教學分別由不同老師授課。實驗預習報告要求學生在實驗前完成，實驗授課前交予老師檢查。由于沒有督促，沒有明確的預習要求，很多學生都是臨實驗前匆匆完成預習報告，對實驗目的、實驗內容及實驗操作一無所知[5]。

1.2 實驗參與性差

目前實驗以分組教學模式為主，小組共同完成實驗任務，目的是培養學生的團隊合作能力。但對于一些演示性實驗和驗證性實驗，往往具有成熟、規范的操作流程，實驗過程沒有鍛煉學生的團隊合作能力，也沒有做到個性化人人參與，分組實驗模式反而讓一部分參與度不高的學生的學習過程流于形式、無所收獲[6]。

1.3 學習興趣低下

因理論授課時間限制，任課老師無法對相關課外應用知識展開講解，從而導致學生對所學知識應用場景嚴重缺失，不知學其所用。同樣地,實驗教學過程注重驗證性操作及簡單的數據記錄，忽視了學生參與實驗的目的，使學生無所適從不知為何學、學何用，跟隨教學計劃完成相應的課程聽講、做好作業、不犯錯誤，順利完成學業即可。

1.4 實驗成績評分標準良莠不齊

實驗成績是學生學業成績考核評級的重要組成部分之一，更是反映學生專業實踐能力發展狀況。目前作者負責的數字電子技術實驗教學和實驗報告評分工作，因同一門實驗課程存在多個班級上課和多個學院多位老師授課，相互沒有交集，實驗授課和實驗報告評分各有標準。因沒有相對具體的評分指導性文件，有時僅憑實驗教師個人撰寫的考核標準確定實驗成績，難免或因缺乏科學性、完整性等有失偏頗。從而造成部分實驗報告批閱成績隨意性較大，成績差異往往沒有實指，或實驗成績根本就不會納入學生理論課程總評成績[7]。

2 漸進式實驗教學改革思路和方法

對數字電子技術實驗教學改革目的是讓學生掌握一般數字邏輯電路的特點，能夠應用數字電路的理論和相關元器件進行電路設計，培養學生的動手和創新能力。學生對問題的認知,對一門課程的學習是一個由淺入深的過程。學生實驗能力、創新能力和科學思維的提升是一個循序漸進的過程。一個科學合理的實驗教學體系,對學生自主學習能力、實踐能力和創新能力的培養將具有深遠的意義[8]。

“自上而下”[9]“OBE”理念[6]“有限元”多元融合模式[10]等，皆與相關實驗教學平臺、課程內容、學生素質相匹配而定。某校以培養應用型人才為根本目標，結合學生綜合素質、實驗教學平臺及實驗教學定位，調研學習多所學校的實驗教學改革思路和方法，制定以培養應用型人才為宗旨的漸進式實驗教學改革思路。

本實驗教學改革思路主要以驗證型實驗為輔、設計型實驗為主、進而提升實驗綜合分析能力。此方案以課堂隨機抽查方式檢驗學生是否在課外時間自主完成驗證型實驗，大大縮短其在課堂時間的分配比例，增加了設計型實驗驗證和實驗綜合分析教學時間。

2.1 明確實驗預習要求及實驗成績評分標準

對學生實驗報告的課前預習處做出相應的標注和提示，并在實驗前一周通過班級學習委員傳達實驗預習報告預習要求和實驗過程需遵守的紀律，比如：未按要求完成實驗預習的學生不得參加當次實驗課程;做完預習但上課遲到者扣除當次實驗課程所涉及的預習報告成績10分;做完預習且準時到達實驗課室者不扣分。

明確評分標準：每個實驗報告總分為100分，根據實驗測試難易程度和考核學生綜合能力實驗項目進行分數劃分，最后在課堂上與學生解釋分數劃分理由，讓學生了解實驗成績構成細節，提高學生對實驗課程重視程度。以數字電子技術實驗21“簡單組合邏輯電路的設計”為例，實驗報告預習要求及分數劃定如圖1所示。

其中,圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)、圖1(d)分別為實驗21實驗報告的第一、第二、第三、第四頁，每一項實驗內容均劃分出明確的分數，以做到評分相對客觀公正，同時讓學生了解相關實驗內容的重要性。而對需要在實驗課前做好預習的實驗內容做出相應的文字提醒，以督促學生正視實驗課前預習。

(a) 實驗報告第1頁

(b) 實驗報告第2頁

(c) 實驗報告第3頁

(d) 實驗報告第4頁

課前預習和驗證型實驗只需學生按照預習要求完成即可，主要起到督促學生課前自主在線學習、使用Multisim14.0仿真軟件對驗證型實驗進行仿真測試等，因此該環節分數占實驗報告總分約30%的比例。

設計型實驗要求學生對實驗內容進行分析、計算、電路設計、仿真驗證及動手實驗驗證等，涉及知識較廣、難度較大、理論和實踐銜接度較高，此環節對學生學習能力培養較為重要，因此該環節分數占實驗報告總分約40%的比例。

課后習題及實驗數據分析要求學生熟悉數字電子技術相關理論知識，了解實驗過程所用是數字集成芯片具備的功能，掌握集成芯片應用設計能力，分析實驗測試數據以驗證相關理論設計，做出自身對實驗過程及相關應用設計的想法。該環節分數占實驗報告總分約30%的比例。

2.2 建立漸進式實驗教學體系

2.2.1 夯實驗證型實驗基礎能力

驗證型實驗是對專業理論知識進行驗證和實踐，以加深學生對基礎知識的認知和理解，側重對學生實驗基本操作和技能培訓。引進Multisim14.0仿真軟件對簡易邏輯芯片74LS00、74LS08等，進行仿真驗證并記錄相關測試數據，從而間接引導學生學習新知識、新工具。實驗教師在Multisim14.0軟件搭建好相關驗證型實驗電路仿真工程文件、編寫仿真工程文件操作流程說明和實驗報告預習要求等，通過學習委員和微信公眾號向參與實驗的學生傳達。

在實驗課程中教師隨機抽查學生上臺現場操作相關實驗仿真文件進行運行仿真、測試數據及提問，以此督促學生做好課前預習和驗證型實驗仿真工作，提高學生對實驗課前預習的重視程度。

2.2.2 培養設計型實驗方案擬定及設計思維能力

設計型實驗對學生靈活應用理論知識設計實驗項目和方案，以幫助其理解和掌握專業知識，重點培養學生研究方法、思維能力和設計能力[11]。設計型實驗需學生進行課前預習，其中涉及分析題目要求、繪制真值表、邏輯表達式、卡諾圖、實驗電路圖等，并建議有能力的學生盡可能在Multisim14.0仿真軟件上對實驗電路圖進行仿真驗證，為課堂實驗做好充分準備。

實驗課程中教師依次講解設計型實驗所涉及的集成芯片用戶手冊、基本功能、題目要求、題意真值表、題意邏輯表達式、題意卡諾圖、實驗電路圖、實驗電路驗證步驟等。然后以2個學生為一組，安裝預習其設計的實驗電路在實驗平臺上進行接線測試、觀察實驗現象、記錄實驗數據，實驗教師對完成實驗的小組進行核查，詢問學生設計思維，了解學生的理論知識基礎，從而培養學生團結協作的團隊精神，間接督促每個學生積極參與小組預習。

2.2.3 提升實驗過程綜合分析能力

一般情況下，學生實驗課后習題沒有教師進行輔導，大部分學生應付性地在網上查找答案、互相抄襲，更有甚者實驗報告只記錄實驗數據而已。為了實驗課程能起到良好的效果，學生在課堂中完成設計型實驗后，實驗教師對本次實驗數據進行核對、分析，串聯本次實驗過程對課后習題進行講解，仿真演示本次實驗部分集成芯片應用電路，描述實用意義。

為提高學生實驗動手能力，實驗教師以2-3個實驗故障為例，分析故障原因、尋找故障點、解決故障點，從而在潛移默化中不僅培養了學生實驗故障分析能力，還授予學生分析問題、解決問題的思維套路。

數字電路實驗授課對象均為大一學生，此階段學生知道該課程為專業基礎課，卻并不知道現在所學是否有所用處，因此引導學生自行制作應用實例電路、瀏覽電子類設計論壇、參加電子設計競賽等尤為重要。

2.3 搭建基于微信公眾號的實驗教學資源

為給學生課前預習提供更多的知識點和便利性，提升漸進式教學體系效果，借助先進的信息技術建設數字化實驗教學資源。根據相關實驗內容和MOOC教學的特點，將一個實驗內容拆解為多個獨立的知識點，如74LS00、74LS08等數字邏輯集成芯片功能(Multisim14.0仿真和實驗平臺)驗證、設計型項目要求及原理說明等，錄制時長5-10分鐘的教學短視頻，連同實驗預習要求、實驗報告模板及相關拓展應用設計資料上傳至微信公眾號，以此打造移動式學習環境。

3 漸進式實驗項目實例

以本校數字電子技術實驗21“簡單組合邏輯電路的設計”為例，說明驗證型實驗、設計型實驗和綜合分析的漸進式設置[12]。

3.1 驗證型實驗——74LS00、74LS04

數字邏輯集成芯片74LS00和74LS04分別為4組2輸入端“與非”門、6組1輸入端“非”門，在驗證型實驗中需要學生在Multisim14.0仿真軟件中分別對兩個集成芯片進行仿真測試并記錄數據，仿真圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 集成芯片74LS00仿真圖

圖3 集成芯片74LS04仿真圖

因教學計劃中沒有單獨安排課程教授學生Multisim14.0仿真軟件的使用，實驗課程中也不安排驗證型實驗在實驗平臺上進行驗證，為了降低學生的實驗預習門檻，提高學生學習的積極主動性，達到由淺入深的學習效果，加深學生的直觀印象，我們將Multisim14.0基礎使用說明和實驗平臺上的實驗操作錄制成簡短的教學視頻在微信公眾號平臺上進行共享。

3.2 設計型實驗——數值比較器電路

實驗題意——A、B皆為一位二進制數，L1、L2、L3為3個獨立的指示燈。當AB時,指示燈L3亮。使用74LS00“與非”門和74LS04“非”門芯片實現以上功能。學生需根據題意自行繪制出真值表、表達式和實驗電路圖，能力強的學生可以在Multisim14.0仿真軟件上自行搭建電路圖進行仿真測試。

根據題意,真值表如表1所示。

表1 數值比較器真值表

表達式如式(1)—式(3)。

(1)

(2)

(3)

以“非”門、“與非”門的形式繪制實驗電路圖，如圖4所示。

圖4 數值比較器實驗電路圖

設計型實驗相對簡易,驗證型實驗更為復雜，對學生的理論知識應用要求更全面，提升學生的設計思維，同時學生可以在Multisim14.0仿真軟件上自行搭建實驗電路進行仿真測試，為實驗平臺驗證提供參考數據，間接加深學生對數字電路理論知識的理解。

3.3 綜合分析

學生完成設計型實驗之后，對數字邏輯“與非”門和“非”門集成芯片基本功能有了一定的認識，為加深學生對所學知識的理解，實驗教師需要借助實驗數據和課后習題以逆向思維講解集成芯片的功能及意義。

為提高學生靈活應用設計的能力，通過一些現實的應用實例進行講解、分析，如基于“與非”門的搶答器、觸摸延遲燈、多諧振蕩閃爍燈、方波發生器、裁判表決器等，同時講解應用實例實驗電路在Multisim14.0仿真軟件中的搭建、仿真過程，且通過微信公眾號等渠道將應用實例相關資料分享給學生。

為拓展學生課外學術科技知識，向學生介紹AltiumDesigner電路板繪制軟件、電路板焊接學習方法、大學生創新創業訓練項目、電子設計大賽等。展示應用實例在AltiumDesigner電路板繪制軟件上所繪制的原理圖、PCB圖和制作出來的實驗作品。介紹歷年學生參加各類學術科技競賽的作品和競賽涉及知識點、應用能力要求、團隊合作方法等，以此激勵學生積極參加課外學術科技競賽活動。

4 總結

根據本校應用型人才培養特點，結合學生綜合素質、實驗教學平臺及實驗教學定位等實際情況，建立漸進式教學體系，引進輔助工具、新型學習平臺、豐富教學資源、細化學生管理，提高實驗教學質量，開拓學生的應用視野，增加學生的主動性，培養學生創新和團結精神。