数字电子实验教学实践研讨

“数字电子技术”是电气、电子、信息类等专业的核心基础课之一，是一门理论性、实践性很强的课程。其对学生后续专业课程的学习及毕业后从事该领域的工作将产生极大的影响，它也是许多相关专业硕士研究生入学考试指定的考试科目之一。因此加强该课程的实验教学，培养学生的实践能力与创新能力，是高校理工科专业教学的重要任务。“数字电子技术”实验课的主要任务是：指导学生掌握相关知识和技能，训练学生设计电路、制作电路、调试电路的基本技能，培养学生科学的思维方法、创新意识和创新能力。但是随着各类新型可编程器件如FPGA、CPLD、ISP，以及基于EDA仿真软件等的出现，数字电子技术实验的教学模式发生了重大改变，学生的创新能力在此新背景下显得不足。因此，实验教学的创新性也不得不进行与时俱进的改革。文章从实验教学内容、实验教学手段、实验具体实施、实验考核和成绩评定等方面对该课程的实验教学改革提出几点建议。

1实验教学内容和项目方面的改革

1.1扩展和丰富基础验证性实验

基础验证性实验是针对某知识点而设计的实验，是培养基本的实验技能所必需具有的，是其它层次实验教学模式的基础。数字电子技术共开设了8个验证性实验，例如“TTL和CMOS集成门的逻辑功能与参数测试”、“组合逻辑电路的设计”、“集成触发器（RS、D、T、JK）的逻辑功能测试”、“单稳态触发器与施密特触发器”、“555集成定时器及其应用”、“A/D、D/A转换器原理及应用”等等。通过基础验证性实验，可以让学生掌握基本的实验理论、数据处理分析方法、规范实验操作、电路故障查找和排除方法，并熟悉万用表、示波器、信号发生器和逻辑分析仪等常规实验仪器、装置的使用方法，熟悉典型实验的基本原理、方法及实验过程，并学会撰写实验报告。以前的数字电子技术实验课只进行TTL和CMOS数字集成器件逻辑功能的测试，而现在增加了TTL和CMOS数字集成器件的参数测试，其中包括高电平输入电流和低电平输入电流、高电平输出电源电流和低电平输出电源电流、平均传输延迟、电压传输特性、扇出系数等参数。特别是在进行电压传输特性曲线的绘制时，可以让学生了解集成器件的输入与输出特性之间的非线性关系，从而进一步区分电压和电平的概念关系。实验中用到了示波器、万用表、信号发生器等电子仪器，实验学时也由原先的2个学时增加到4个学时，可以使学生熟练掌握常用电子器件和电路的主要参数、技术指标的测试方法以及常用电子仪器的使用方法，为以后的设计性综合性实验打下坚石的基础[1]。

1.2加大设计性综合性实验

设计性实验是针对某章内容而设计的实验，它是培养学生在工程设计、工程制作和组织管理等方面的创新能力。在以前的实验教学中，缺少了设计性实验，同时也就缺少了对学生创新能力的培养。我们的许多毕业生在找工作的应聘过程中一个普遍的感受，就是自己的工程实践经验与用人单位的要求相差甚远，这个问题说明我们的实验教学在培养学生实际动手能力和积累实践经验方面存在着严重的欠缺。因此，在进行设计性实验时，例如，交通信号灯控制电路设计、汽车尾灯控制电路、60S计数器实验等，实验教师只给出实验目的和实验的基本要求，由学生自己设计实验方案、实验线路、选择实验仪器设备，经指导教师签字同意后才能予以实施，整个设计调试过程完全由学生自己掌控。实践证明，设计性实验与实际应用联系的更加紧密，可以激发学生学习的兴趣，更容易提高学生的技能。

综合性实验是针对整门课程而设计的实验。综合性实验着重于培养学生运用理论知识和工程观念分析问题，并解决实际问题的能力，它涉及到多个基本理论教学单元的内容。综合性实验着重于总体构思和相互之间的联系，以培养独立分析问题和解决问题的能力为根本目的，可以起到把所学到的知识融会贯通的作用。在实验教学中应该把培养学生独立思考和分析、解决问题的能力，激发他们的创造力，提高综合素质的目的放在首要位置。因此，所有实验均是以学生动手能力为主，以教师辅导为辅。教师在实验过程中，只给出学生设计要求和简单的设计原理和思路，中间的过程让学生自己充分发挥，并且要求学生自己去查找资料，并自己设计电路内容。对于同一个实验可有多种实行方案，这样就训练了学生用所学到的书本上的知识来解决实际问题的能力，为学生的后续专业课程的学习打下坚实的基础。在本次实验教学改革中增设了“彩灯控制电路”、“四人抢答电路”、“电子秒表”等几个综合性的实验。这些综合性实验的开设，可以将数字电子技术中的时序逻辑电路、组合逻辑电路、A/D及D/A转换、施密斯触发器、555定时器的应用、可编程逻辑器件等知识点很好地综合在一起，大大地激发了学生动手的兴趣，为以后设计创新性实验打下了良好基础。例如在设计电子秒表实验中，要求使用基本RS触发器、555时序电路及计数、译码显示电路来进行设计，这一实验涉及到了四个基本理论单元的内容。而在设计抢答器电路时，则要求用数码管来显示结果，而这一实验涉及到了三个基本理论单元的内容：组合逻辑电路、触发器和555定时器。

1.3延伸性实验阶段

我们面向全院学生开设了电子系统综合设计课程，并结合“高校挑战杯大赛”、“‘飞思卡尔’杯全国大学生智能汽车竞赛”、“全国大学生电子设计大赛”等比赛，将数字电子技术和模拟电子技术以及单片机等几方面内容结合起来，进一步将先进的CPLD/FPGA器件和EDA技术应用到电子设计系统中，让学生学会电子系统综合设计、电子系统自动化设计及仿真、CPLD/FPGA数字应用系统设计等几个现代电子系统综合设计方法[2]。近几年来，我院参加全国“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛的成绩逐年提高。

2实验教学手段方面的改革

2.1引入EDA技术

EDA技术的出现不仅为电路设计提供了一种崭新的测试模式，而且它所提供的实验环境更是电工电子类实验教学中的全新的模式。EDA教学实验环境是一个虚拟模式下的实验环境，是一个理想化的实验环境。EDA不仅提供了丰富的分立元器件和集成元件，而且还提供了最先进的仪器设备。并且使用它时，不会出现元器件损坏、接触不良等这些不良因素。况且对于抽象晦涩的变化过程，还可以通过波形、图像等形式直观的、形象的、生动的显示出来，既便于学生理解，又节省了经费。以前的实验教学通常都是以教师为主。教师从实验目的、实验步骤、实验操作中可能出现的问题，都逐一对学生进行详细讲解，然后要求学生按照教师的讲解步骤进行实验操作。这种教学模式大大地限制了学生的主观能动性和创造性。传统的实验手段与先进的EDA技术相结合，特别是在进行综合性设计性实验前，先让学生借助于EDA技术中的Multisim等仿真软件，对自己设计好的线路在计算机上先进行调试、模拟仿真，电路的仿真结果如果正确，再在实验室中连接出实际的硬件电路。可以达到事半功倍的效果，这样，还可以避免由于设计错误而致使实验元器件损耗、缺少实验仪器的弊端。大大的提高了学生的实验效率，激发了他们的创新能力。如果有兴趣，还可以将该仿真软件拿到电子工艺实习室，进行电路板的制作。最后，可以把自己所设计的电路做成电子成品[3]。对于验证性实验，也可以先让学生利用仿真软件Multisim中的虚拟仪器对实验结果进行仿真与测试，就可以达到预期的实验室教学效果。几年来的改革实践证明，将仿真软件应用到实验教学中，不仅加深了学生对基本概念、基本原理的理解，还节省了实验时间、提高了实验效率，并且弥补了实验所用元器件和实验仪器缺乏带来的不足，避免了对实验器材的损耗。这些鲜明的优越性，将使用仿真软件，成为以后实验室教学的必然趋势。

因此，应该建设一个专用的数字电子技术仿真实验室，使仿真软件的辅助教学作用，在实验室教学中充分地发挥出来。让学生在完成设计性综合性实验前，先仿真实验结果是否正确。然后再让学生到实验室进行实际的实验室操作。只要做出了正确的仿真结果，即便搭建出来的电路系统比基础实验复杂得多，只要学生认真细心，就一定能得到正确的实验结果[4]。这样，就可以使实验达到很好的教学效果。

2.2成立创新实验室和电子设计兴趣小组

为了因材施教，为能够有进一步发展的学生提供良好的学习环境和创新实验场所，培养学生的团队协作精神、培养出具有创新精神和领导才能的优秀人才，我们还成立了创新实验室和电子设计兴趣小组。在创新实验室里，可以让学生自拟实验项目，然后在实验室教师的指导下，开展专题研究型和设计型实验，使学生把课堂上所学习到的基本概念和基本方法理解和掌握的更加透彻，并结合校内外创新项目、电子设计大赛‘、飞思卡尔’杯全国大学生智能汽车竞赛等活动，充分地发挥出学生学习的自主性、创造性，充分地展现出学生内在的创造力与学习力，极大地提高了学生学习知识的兴趣,培养了学生的实践动手能力[5]。

3实验的具体实施

实验的具体实施可以分为预习设计、操作验证、整理总结等三个阶段[6]。预习设计阶段，对于验证性实验，主要目的是在网络课件上提前学习各种仪器仪表的使用，芯片的测试方法、工作条件；对于综合性实验，要求能根据大纲进行简单的计算分析，熟悉所需知识，并能初步用EDA软件进行分析设计；对于设计性实验则要求比较高，除过上述操作外还需进行方案设计、评估。因为预习设计是整个实验的基础，它的优劣会直接决定实验效果的好坏，所以对于任何层次的实验都必须有相应的预习实验报告，并将其列为重点考核对象。对于实验操作阶段，主要锻炼学生的实际操作能力、故障查找和排除能力，以及对方案的验证能力。因为学生对实验相对生疏，所以故障率较高，分析也没有经验，在这一阶段指导教师的任务就比较重，要引导学生掌握故障分析方法，而不是一切包办。教会学生如何正确的记录实验数据，并正确分析实验现象。对于整理总结阶段，要求学生写出分析总结报告，包括对数据的处理、分析、总结以及心得体会等。

4实验考核和成绩评定

科学地对实验效果进行评价，对学生的积极性、创新性、公平性有着至关重要的作用。根据多年的经验和不断摸索、改进，我们得出一套行之有效的考核机制。其主要指标有[7]：实验预习、实验纪律和实验态度、实验过程、实验结果，实验报告和期末考试成绩等。实验成绩以平时实验成绩和期末考试成绩来综合评定，其中平时实验成绩占70%，期末考试成绩占30%。信息通信马晓虹：数字电子技术实验教学的创新性研究与探索平时实验成绩部分评定方法分配如下：学生实验预习报告占15%，主要看预习是否认真、到位；实验纪律占10%，包括是否迟到、早退、无故旷课等现象，实验中有无大声喧哗、是否爱护实验器材等方面；实验过程和结果占60%，具体可根据做实验的内容，是否做提高部分，创造性发挥部分如何等来分配；实验报告占15%，主要根据报告的推理和参数计算的正确性，实验数据的完备性以及数据分析，回答问题的正确性等方面来分配。

5结语

作为省级实验教学示范中心，以提高学生的整体实验素质为目标，在实验教学方面做出了大胆的创新和改革，学生上实验课的积极性和动手能力明显提高，分析、解决实际问题的能力也显著增强。2010年我校学生在第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛西部赛区的比赛中，共获得1个一等奖、3个二等奖、2个三等奖，1个全国二等奖。2011年我校学生在第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛西部赛区的比赛中，共获得4个一等奖、1个二等奖、1个优胜奖，全国3个一等奖的好成绩。实践证明，实验教学改革总体达到了预期目的。