數字電子技術實驗項目化教學改革與實踐

朱建華，董桂麗

(浙江科技學院 創新創業學院，浙江杭州 310023)

數字電子技術實驗是數字電子技術的重要組成部分，課程涉及各種門電路、時序邏輯器件、AD/DA 轉換電路相關芯片的功能及使用，相關芯片的應用設計，電路邏輯功能的驗證等，涉及知識點多，系統性和邏輯性強。通過實驗，鞏固了數字電子技術的理論知識；學生根據實驗方案構建實驗系統，提高了學生動手能力；由于數電實驗線路相對復雜，實驗過程難免出現故障，學生結合故障現象分析故障原因并排除故障，學生的邏輯分析能力、解決實際的能力將得到鍛煉；通過撰寫實驗報告，對實驗結果進行分析、解釋與評價，并獲得合理有效結論，將進一步提高學生撰寫報告的能力。通過該課程的教學，將提高學生多方面的綜合能力，為后續解決工程復雜問題打下堅實的基礎[1]。因此，課程在提高學生的技能、分析和解決實際問題的能力等方面，具有理論課堂教學所無法替代的作用[2]。

1 目前數電實驗教學的基本情況

1.1 存在的主要問題

傳統的數電實驗教學以操作為主，一般根據實驗教材中相關實驗項目的原理圖搭建實驗電路，然后驗證其邏輯功能，因此，學生雖然熟悉了設備的使用方法、 電路的連接和測試方法以及簡單的電路故障排除方法，但自主創新設計方面的內容較少，無法通過實驗掌握工程技能和方法[3]。近幾年，我們進行了一些改革，一方面，將綜合性實驗及設計性實驗提高到80%以上。另一方面，在教學方法和手段上也進行了一些調整，雖取得了一定的成績，但仍存在一些問題，主要表現在以下幾個方面：

（1）實驗預習問題：準備不足，部分同學實驗前未進行預習，對將要進行的實驗不夠了解。同時，相關預習資料也比較缺乏，沒有與實驗內容相關的工程案例、芯片參數功能及應用范例等知識[4]。

（2）設計性實驗問題：設計性實驗相對簡單，多是一些簡單的單元邏輯電路的設計，器件一般是指定的，學生得到的訓練不夠全面。例如，在設計多諧振蕩器電路時，電路是給定的，學生只要根據教師給定的輸出頻率和占空比確定相關元器件的參數即可。因此，學生較少有機會參與電路設計，也不了解單元實驗電路在數字系統的作用，這種實驗方法不利于培養學生創新能力和工程實踐能力。

（3）數字系統的構建問題：實驗單元電路涉及的知識點相對獨立的，在構建數字系統時其具體應用未在實驗中體現，各單元電路在構成系統時的匹配問題也未在實驗體現。數字電子技術實驗知識點涉及常用電子元件、門電路、觸發器、計數器、譯碼器、AD/DA 轉換器等器件，涉及設備及儀器儀表的使用，單元電路涵蓋了數字電子技術的關鍵知識點，具有知識點多且相對獨立的特點，不易形成數字系統的概念。

（4）實驗報告的質量一般。目前，我校涉及數電實驗的專業已有電氣工程及自動化、自動化等進行了工程教育專業認證，其畢業要求指標點對實驗報告有具體明確的要求，現學生撰寫的實驗報告主要內容包括實驗電路及原理、步驟、數據及波形記錄等，實驗數據解釋分析，實驗結論推斷等方面的內容較少涉及，和工程教育專業認證畢業要求指標點的要求還有較大的差距。

1.2 工程教育專業認證對教學改革的要求

近年來，為了不斷提升專業水平和培養質量，加強工程實踐教育，全面提升人才培養質量[5]，我校多個專業開展并陸續完成了工程教育專業認證工作。專業認證對課程提出了要達成的教學目標：（1）能夠根據研究方案構建實驗系統，開展實驗研究，安全地獲得有效數據，并能夠對理論數據和實驗數據進行分析與解釋；（2）能夠利用數據處理等手段，解釋實驗及實驗結果的差異性，獲得合理有效結論。數字電子技術實驗按照專業認證基于成果導向的教育模式[6]，圍繞要達成的教學目標，對數電實驗教學的內容、方法和手段進行了改革。

2 內容改革

2.1 改革思路

依據工程教育專業認證畢業要求指標點提出的要求及實驗教學中存在的問題，我們對數電實驗的教學內容進行了改革，以一個小型數字系統為主線，改革了實驗內容。首先選擇數字電子技術中一些關鍵知識點構成一個完整的具有實用功能的小型數字系統，以該系統為主線開展項目化實驗教學，幫助學生建立數字系統的概念，培養學生解決實際工程問題的能力、分析問題的能力[4]。實驗中，既有單元電路的設計、安裝和驗證，又有整個數字系統的設計調試，進一步提高了學生參加實驗的興趣。

項目化教學是通過共同實施一個完整的項目工作而進行的教學活動，實驗教學內容需體現一個完整的項目，因此，要設計一個包含數字電子技術課程關鍵知識點并具有實用功能的小型數字系統作為一個完整的項目。項目應包含組合邏輯電路、譯碼器、觸發器、計數器、 多諧振蕩電路及AD/DA 轉換電路等關鍵知識點。教學設計時，按相關知識點將這個小型數字系統拆分為若干個單元電路，每個單元電路為一個實驗項目，所有的實驗項目完成后，再將這些單元電路進行組合聯調，最后重新還原為原來的小型數字系統。

2.2 教學內容設計

在教學內容設計時，參考了數字電子技術理論教程、實驗教程及其他資料，決定選擇3.5 位直流數字電壓表設計制作這一小型數字系統作為實驗主體內容，將其拆分為若干個實電路單元，分別是：AD/DA 轉換電路、譯碼器、多諧振蕩器、觸發器、計數器、組合邏輯電路及數字芯片功能及參數測試。其中，數字芯片功能及參數測試為基礎項目，和小型數字系統3.5 位直流數字電壓表無直接關系，其他6 個實驗均和小型數字系統有關，但最后組合聯調時，由于課時限制，一部分電路將選擇已集成單元電路功能的芯片。

教學內容確定后，按培養計劃中數電實驗學時數（32 學時） 分為8 次實驗課，每次實驗課的內容依次為：實驗1，TTL 集成邏輯門的邏輯功能與參數測試（基礎實驗）；實驗2，組合邏輯電路的設計與測試(單元電路1)；實驗3，觸發器邏輯功能測試及其應用(單元電路2)；實驗4，計數器及其功能電路設計(單元電路3) ；實驗5，單穩態觸發器和多諧振蕩器(單元電路4) ；實驗6，譯碼器及其應用(單元電路5) ；實驗7，A/D 和D/A電路(單元電路6)；實驗8，3.5 位數字表設計安裝與調試(小型數字系統組合調試)。實驗教學始終圍繞小型數字系統設計制作進行，貫穿整個實驗過程。

3 教學方法改革

單元電路實驗分為三個層次[7]，第一層是基礎實驗，第二層是單元電路設計，第三層是系統安裝調試。實驗教學中，不同層次的實驗項目有不同的教學方法和教學要求。

基礎實驗，要求學生熟悉設備及儀器儀表，了解芯片及數字電路邏輯功能的測試方法，通過實驗驗證相關數字電路設計的正確性。內容包括，測量數字芯片及數字電路的邏輯功能、靜態參數、傳輸特性及傳輸延遲特性，通過測量了解在構成數字系統時應考慮的功耗、兼容性及延遲特性等多方面的因素，初步培養學生的工程意識。

單元電路設計，要求學生能夠根據要求設計實驗電路并驗證其正確性，例如，組合邏輯電路設計，要求設計半加器、全加器和數值比較器。在這個實驗中，首先由教師講解組合邏輯電路一般設計思路，然后舉例設計一組合邏輯電路，最后給出實驗要求，學生根據設計要求將其轉為真值表，然后根據真值表寫出邏輯表達式并進行化簡，最后根據最簡邏輯表達式畫出邏輯圖，這樣理論設計部分就完成了，接著再通過實驗驗證其正確性。

系統安裝調試，是課程的最后一個實驗。實驗中，將之前已經完成的各單元電路進行組合，逐一安裝并連接相關單元電路，完成整體調試，實現3.5 位數字表的所有功能。

4 教學手段改革

要求學生在實驗前對相關內容進行預習，包括：與實驗內容相關的芯片的型號、功能以及對應的知識點。學生預習時，采用網絡教學與線下查閱資料相結合的方式。線上設有數字電子技術在線課程、仿真實驗平臺及相關教學資料等資源，在線課程有實驗課程教學視頻，仿真實驗平臺可以進行仿真實驗，學院網站設有實驗預習平臺，收集了數字系統設計案例等教學資料，為學生預習提供一定的資源。

工程教育專業認證畢業要求指標點對實驗報告部分提出了較高的要求，要求學生能正確采集實驗數據，運用理論知識分析和解釋實驗數據，并得出合理有效的結論。改革后，對實驗數據分析和解釋部分提出了明確要求，并將這部分內容作為實驗報告評分的重要依據。

在新修訂的教學大綱和評分標準中，充分考慮工程教育專業認證畢業要求指標點的要求，改革了考核方法和評分標準。重視預習，將課程課外學習時間明確寫入大綱，規定每次實驗課要有2 學時課外學習時間，預習報告成績納入考核，預習成績的比例占10%以上。實驗表現考核中，主要觀察和記錄學生在實驗過程中的操作能力和實驗項目的完成情況。

5 結語

在我校電類相關專業工程教育專業認證的背景下，創新創業學院電工電子基地對數電實驗課程進行了改革。改革以小型數字系統為主線，開展了項目化實驗教學。目前，改革措施已在電氣國際等專業實施，并取得良好的效果，學生解決實際工程問題的能力和撰寫實驗報告的能力有了一定程度的提高，課程在達成度評價中取得了較好的成績，學生評教成績也相對較高。當然，教學改革中仍存在一些問題，例如，教學內容尚有不完善之處，需進一步優化，此外，課外學習的監督和評價等都有改進的空間。