数字电子技术自主设计性实验教学实践及分析

李 宁, 罗琴娟, 钱 桦, 樊桂玲

(北京林业大学 工学院, 北京 100083)

实验教学研究

数字电子技术自主设计性实验教学实践及分析

李 宁, 罗琴娟, 钱 桦, 樊桂玲

(北京林业大学 工学院, 北京 100083)

阐述北京林业大学工学院数字电子技术实验的自主设计性实验教学改革实践的具体实施情况,分析了实施效果。实践表明,自主设计性实验能有效锻炼学生的主动探索精神,并能提高学生的工程实践能力,同时实践教学也能推动教师不断去学习、思考和探索,实现了教学相长。

数字电子技术; 实验教学; 自主设计性

电子技术的发展日新月异,新观念、新技术、新工艺、新器件层出不穷,“数字电子技术”的研究和实现方法也随之发生变化。在实验教学改革方面,许多学者提出了不少教改方案,如有从实验教学内容、实验手段和实验考核3个方面进行的改革[1-2],还有从实验教学方法、教学模式、教学手段等方面进行的改革[2-4],以及采用仿真设计与硬件实物电路相结合的实验教学模式,将虚拟电子仿真软件应用于电子技术的实验教学中的方法[1,4-7],给学生提供更加灵活方便的实验环境,以此激发学生的创造性,提高学生的动手能力和创新设计能力。我校工学院对“数字电子技术”课内实验进行了改革,结合EDA技术进行自主设计性实验实践,锻炼学生主动探索的精神,提高了学生的工程实践能力。

1 自主设计性实验特点及其设置

1.1 自主设计性实验

设计性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关课程知识的一种探索性实验[8]。自主设计性实验在学生掌握了一定基础理论知识和基本操作技能的基础上进行,对学生实验技能进行综合训练,培养学生独立思考和综合运用理论知识的能力。

学生根据指导教师给定的实验项目,选择自己感兴趣的题目,根据实验目的、任务、要求以及实验室仪器设备现状,结合所学知识,通过查阅资料,自行设计出一套完整的实验方案,选择合适的实验器材加以实现,并对实验结果做出综合分析与处理。

设计性实验的性质[9]决定了其实验内容的探索性、实验方法的多元性、实验手段的多样性、人才培养的综合性。

1.2 自主设计性实验的特点

(1) 综合性强。牵扯到本学科的许多知识点,而且要求综合灵活应用,设计技术高、实验难度大、数据处理较复杂[9],具有一定的创新分量。

(2) 灵活性强。虽然每个人的目的相同,但因思考方向不同,设计出来的实验方案也就不同,选择的实验仪器也就不同,因此能够激发学生的灵感,实验过程不再千篇一律,按部就班。

1.3 自主设计性实验内容的设置

设计性实验的题目既可以由学生自选,也可以由指导教师向学生下达。实验项目选择原则:实验项目紧紧围绕教学大纲,兼具综合性、实用性和先进性的特点;实验过程能体现学生探索精神、科学思维、工程意识、创新意识的培养[10]。

设计题目不必过大,那些与专业科研方向相结合的设计性实验项目,可以开阔学生的视野,使学生对本专业所从事的研究方向和课题有所了解,增强学生对专业的兴趣和喜好,使学生的潜质得到充分的发挥。

学生要完成一个设计性实验,从查阅资料、设计和论证实验方案到最后实现实验方案,所花费的时间长(经统计,“数字电子技术”的一个自主设计性实验所需课外时间平均约1天),所以，设计性实验开设过多会增加学生的学习负担,不开展设计性实验又不利于学生创新意识和综合能力的培养,因此,设计性实验设置的数量应少而精。

1.4 实验方案设计与实现

学生根据经验、知识、水平和兴趣选择适合自己的题目之后开始进入实验方案设计。学生自主设计实验方案可以通过3种途径:

(1) 通过图书馆、实验室及互联网获取第一手资料,再经过认真加工、整理、完善。

(2) 走访实际电子产品卖售市场,例如北京中发电子市场,实践调查当前各种类电子元器件,尤其是集成电路的种类与应用,甚至可以与商户共同商讨设计方案。有些商户有一定的数字电子基础,同时有多年的销售经验,对芯片的种类、功能、性能了解都比较全面,对学生的设计方案的设定非常有帮助。

(3) 获取教师的教学资源。经过多年的教学经验和实践,理论课教师可以提供给学生丰富的教学资源。教师立足理论技术的创新、开发与应用,通过多项省(校)级教育教学改革立项，开发出多种优质教学资源,这些优质教学资源可用于学生自主学习及仿真实验设计、调试的演练。

2 自主设计性实验项目教学实践

从本校“数字电子技术”课内实验学时中抽出2学时进行自主设计性实验教学,在主要授课内容结束之后为学生开放实验室。

2.1 确定设计性题目

在教师的指导下,学生可以自主选择相关课题进行设计、独立组织实施并进行实验问题分析处理和撰写总结报告等工作。实验内容可以来自以下几方面的课题:

(1) 与课程教学内容的学习有机结合,从课程学习中引申出的研究课题;

(2) 开放式、探索型和综合性实验教学中延伸出值得进一步深入实验的课题;

(3) 结合有关科学研究项目,可由学生独立开展设计的课题;

(4) 由学生自主寻找与现代电子技术发展以及实际生活相关的趣味课题。

2.2 准备阶段

以学生为本,实验采取少讲多练、尽可能一人一组的方式,让学生有充分的动手机会。学生自己设计方案、制定实验步骤。具体要求:

(1) 分析题意,按照设计要求,根据实验室实验箱、面包板以及所能提供的芯片(若不具备,可以自行购买)，绘出电路的原理框图。

(2) 根据原理框图,分析出电路组成的几大模块。

(3) 按照每一子模块的要求,设计出电路的具体参数,利用电子线路设计软件(例如Mutisilm10)先仿真,对电路进行原理和参数上的验证,再到实验室搭接电路进行实物调试。

(4) 提出较完整的实验方案,完成实验预习报告。

2.3 开放实验室、适时指导

实验室实行教材、消耗器材及教具开放[11],利用现有相关设备,根据自己提出的实验方案搭建和调试电路，最终实现电路功能。具体要求:

(1) 进入实验室进行实际电路搭接,验证自己设计的电路能否实现设计要求。要求电路通电之前核查接线,以免造成短路等事故。

(2) 在电路仿真和实际电路连接时,遵循分步调试、逐级组合、注意细节的原则。

(3) 实验完毕经教师检验方可离开实验室。

(4) 实验报告须包含“方案设计”、“电路原理图”、“功能描述”以及“设计体会”。

教师对学生的指导要突出启发性。在整个讨论过程中,教师应对学生的方案作点评,在理论上给予帮助,指导学生“立题—查阅资料—确定实验方案—许可条件下的实验操作—调试完成”[12]。

教师对能独立、顺利、圆满完成的学生给予鼓励,启发其思考更深层次的问题;对难以独立完成实验的学生耐心引导,指出实验方向,多鼓励、少批评。

2.4 指导教师对学生实验方案的评阅

合理的考核办法能够端正学生的实验态度,规范实验过程,提高实验教学效果。设计性实验按“实验态度10分,实验方案的制定30分,实验操作及完成情况30分,实验报告20分,PPT答辩10分”5个方面评定,满分为100分。期末考试作为总成绩的一部分。结合PPT答辩形式提问,通过学生的回答来评判学生的知识掌握程度及其应用能力、动手实践和创新能力,在最终评价中予以体现。

实验态度考查学生遵守纪律情况、实验过程中的独立性和自主性;方案考查学生应用原理的正确性、合理性、独特性以及创新性;实验操作及完成情况考查学生对实验过程的熟悉程度、实验仪器使用的熟练程度、实验数据的正确性、实验问题的解决能力以及根据实验方案完成实验的质量和效果;实验报告主要考查撰写是否规范、数据处理是否正确、对实验结果的分析是否合理，以及结论是否正确、完整等。

3 自主设计性实验效果统计与分析

对本校电气及其自动化11-1、11-2，自动化11-1、11-2共4个班级、110人进行了自主设计性实验教学。以下是统计及分析结果:

(1) 学生自选题目多不相同,有“上课签到器”、“编码器”、“120进制计数器”、“128进制计数器”、“峰值计数器”、“可逆加法计数器”、“十进制编码显示器”、“六十进制计数器”、“360进制计数器”、“可分班级计数器” 、“140进制计数器”、“3数值比较器” 、“4位2进制乘法器”、“分秒计时器以及定时报警装置”、“9秒倒计时器”、“ 八路抢答器”、“ 60秒计时器”、“10分钟以内计时器功能”、“三人表决器”、“光电室内人数统计器”、“双选手双评委计分比较器”、“响铃实验”、“2位二进制乘法器”、“求最大值电路”、“五人表决器”、“教室进出人数计数器”、“4人抢答器”、“数字电子秒表”、“篮球24s计时器”、“篮球30s计时器”、“多人投票器”、“交通信号灯控制电路”、“门铃电路”、“100计数器”、“3位*3位二进制乘法器”等,多数学生还是选择了2人一组的形式,便于讨论和比较实验方案,达到共同进步的目的。

(2) 绝大多数学生自学并利用了电子设计及仿真软件进行了原理电路设计和电路功能测试,采用先仿真后硬件实物电路相结合的实验教学模式,极大地节省了实验时间,提高了实验效率。

(3) 使用芯片数量多、种类丰富，3～5片集成电路，最多用到41片,有效提高了学生对于“数字电子技术”知识的实际应用能力。学生可以自行购置实验室不具备的集成芯片,如此,既实现了真正的自主设计性实验,又给学生更广阔的发展空间,同时也有利于学生顺利完成自选题目。表1是部分统计结果。

表1 部分选题所用集成芯片数量统计

(4) 通过设计性实验教学,许多学生得到了多方面的锻炼。总体来说学生感受最深的有以下几点:①深入了解了电路设计的程序,在设计电路方面踏出的第一步,为以后更复杂的电路设计打下了基础,建立了自信心；②体会到了数电设计逻辑电路的不确定性,每个人的目的相同,而思考方向不同,设计出来的电路则各不相同；③细心是最重要的,整个电路的逻辑环环相扣,错一点就要改动很大,因此,做事情一定要一丝不苟；④做自主实验最重要的是质量和效率,要准确地画出电路图、查好管脚图、做好逻辑推理,严格按实验要求完成实验；⑤提高了独立学习、独立解决问题、自主创新的素质,激发了探索新知识的浓厚兴趣,还加强了动手能力。

4 结束语

通过自主设计性实验教学改革的实践,充分展示了自主设计性实验教学改革的成效:

(1) 为学生综合运用所学知识提供了良好的实验条件,较大程度激发了学生的潜能,使学生在已掌握知识的基础上,进行了更深层次的拓展。

(2) 在设计过程中增加了学生的实验兴趣,鼓励了学生持续自主学习的热情,培养了学生独立思考、综合分析、实验动手及查阅资料的能力,也培养了学生的初步创新意识和综合解决问题的能力。

(3) 通过此实践教学,也锻炼和拓展了教师的基本功,开阔了眼界。学生学会了基本设计电路、购置元器件、绘制基本原理图以及硬件电路的搭建及调试。为今后学生参加各类电子设计竞赛、机器人大赛以及物联网大赛等大赛做了基本的铺垫,同时也为学生申请大学生创新训练项目提供了一定的基础,为学生科研能力的提升提供了条件。

References)

[1] 刘银萍,王晗.数字电子技术实验课程的改革与探索[J].实验科学与技术,2010,8(5):106-107.

[2] 唐胜春,高晶敏,柴海莉，等.数字电子技术实验教学改革探索[J].中国现代教育装备,2013(9):48-49.

[3] 王淑伟,廖洪翔.数字电子技术实验教学改革[J].高校实验室工作研究,2012(1):21-22.

[4] 马晓虹,尹向雷.数字电子技术实验教学中学生创新能力培养的探索[J].中国现代教育装备,2012(11):85-86.

[5] 马晓虹,尹向雷.数字电子技术实验教学的改革与探索[J].实验技术与管理,2012，29(10):172-174.

[6] 郑宽磊,陈柳.Multisim仿真软件在数字电子技术实验教学中的应用 [J].中国电力教育,2014(8):166-167.

[7] 林连冬.以设计性实验为引导的EDA技术课程教学改革与实践 [J].黑龙江教育:高教研究与评估,2014(6):43-44.

[8] 邓红梅,周天,王春,等.开设综合性、设计性实验教学探讨[J].实验科学与技术,2012,10(4):148-150.

[9] 姜行东.综合设计性实验在电子技术实验中的探索[J].数字技术与应用,2014(3):229-230.

[10] 许鹭芬,刘志鑫.设计性实验教学探索与实践[J].实验室科学,2014,17(2):121-123.

[11] 王革思.探究式教学在数字电子技术实验课中的应用[J].教育探索,2014(1):58-59.

[12] 陶春元,喻国贞,曹小华,等.大学化学综合性、设计性实验教学实践与探索[J].实验技术与管理,2011,28(6):182-184.

Practice and analysis on teaching of autonomous design of digital electronic technology experiment

Li Ning, Luo Qinjuan, Qian Hua, Fan Guiling

(School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

This article gives a detailed introduction to the practice and analysis on autonomous design of digital electronic technology experiment in BJFU.Practice indicates that the autonomous design experiment can effectively encourage students’ active investigation and improve their operating practical ability.It also propels teachers to continue to learn,think and explore.As result the students make progress as well as teachers.

digital electronic technology; experimental teaching; autonomous design

2014- 10- 09 修改日期：2014- 12- 17

2014年北京市共建项目专项资助项目“林业工程装备与技术大学生校内创新实践基地建设”

李宁(1979—),男,安徽潜山,博士,高级实验师,研究方向为数控技术、林业机械

罗琴娟(1984—),女,江西宜丰,硕士,实验师,研究方向为信号处理、图像处理.

E-mail：luoqinjuan@126.com

O641;G642.0

A

1002-4956(2015)6- 0161- 03