“三层次实验”教学方法与数字电路实验改革

刘 艳 朱昌平 宋凤琴 杨红雨

河海大学物联网工程学院 江苏常州 213022

数字电路实验是电子技术课程的重要组成部分，而电子技术课程是电子信息类专业的一门重要课程。作为一门专业基础课的实践部分，单独开设的数字电路实验在该类学生的学习过程中具有重要意义：一方面是对模拟电路部分的承接，另一方面也是对今后的专业课学习和实践做了一个铺垫。传统的数字电路实验依附于数字电路课程教学，大部分只对课程内容进行了验证和巩固，而忽略了数字电路实验的铺垫作用。学生在实验过程中兴趣普遍不高，缺乏自主学习的过程，多数学生认为数字电路实验过于简单，实验过程太过程序化，从实验课中学不到东西，不能培养实践创新能力。电子技术课程教学改革课程团队在长期的理论和实践教学中，通过教学改革不断摸索和总结，不断对数字电路的实验内容、教学方法与方式、实验过程进行改革，以期能适应学生和课程发展的需求。[1-2]

1 实验内容的改革

为培养具工程实践能力的毕业生，以适应社会的需求，传统的实验内容和方法需要不断地进行改革和发展。数字电路实验需要结合工程实际，将核心内容在实验教学中进行层次化，使其成为有针对性、适合学生个体学习需求的实践课程，促进学生知识、能力、素质综合协调发展，有利于提高学生的实践创新能力。[3-4]

1.1 “三层次实验”教学

“三层次实验”教学分层次进行，按照难度、内容进阶，循序渐进，从基础到综合，再到设计与创新。[5-8]数电实验中的“三层次实验”教学内容包括以下内容。

第一层次，验证型实验。[9]选取数字电路理论课程中的核心性内容，设计实验的基础电路框架，将理论教学中涉及的一些基本结论，通过搭建硬件电路、调试进行现象和结果的观测和验证。这种直观的教学方法，使学生易于接收和巩固理论教学中设计的内容，激发学生的学习兴趣，调动学生的实践积极性。

第二层次，综合性设计型实验。结合常用的数字电路，以常用的电路原型抛砖引玉，提出功能需求。学生需要主动思考并自行设计满足要求的电路及测试方法，主观能动性得到调动。

譬如在计数器实验中，教师只提供计数器的功能要求，让学生自己去查阅资料，选择除计数芯片之外的其他芯片及元件，不拘泥于固定元件，将原有的验证型实验改进为综合性设计型实验，使学生充分发挥自身的主观能动性，达到提高实践能力的目的。

第三层次，创新型实验。由教师根据教学内容提出设计题目与要求，让学生以各种方式和途径获取资料，通过自学后设计所有实验电路，选择所需集成电路和相关元器件的参数。这一层次的实验可以引发学生的思考与讨论，让学生自行解决实验中遇到的问题，实践创新能力得到提高。

以创新型实验“数字钟”为例，教师只需提出数字钟的主要功能(时间调整，闹钟时间设置等)，提示学生可以选用的核心芯片，系统的原理框图，把剩下的工作都交给学生自己去做。学生在实际操作时，根据自身的情况进行实验，教师不加干涉，只做一定的疑难解答，充分发挥学生的自主学习、分析、解决问题的能力，让学生独立完成一个实际的项目，培养学生的知识应用和加工能力。

1.2 实验内容的改革

完整的实验教学包括预习、操作和课后反思，每一环节都要求学生将所学理论与动手实践紧密结合起来，实验内容及相关素材的展现应采取多样化的方式，侧重于保持学生在学习过程中的注意力。

首先，课程的教材选取应当恰当。数字电路的理论课程选用优秀教材，如康华光老师的《电子技术基础(数字部分)》第六版，理论授课时，教师可结合自己的工程实际进行讲解，引发学生学习兴趣的同时也使学生保持自信，学生甚至可以利用课余时间自行设计搭建电路并验证。

其次，为提高理论教学与实验教学之间的契合度，配套实验教材的选取应注意与理论教材在内容和深度上的配合，以及与实验平台之间的配合。课程团队自制了数字电路实验箱、自编了《电子技术基础实验—数字电子技术与EDA》，结合了实验中心的硬件特点，实验内容上保持理论—实验—平台的高度一致。

此外，由于传统的实验将硬件实验和仿真实验分开，这样做分离了理论和实践的对比，学生无法认识到二者的差别，实验与工程实际未能紧密联系。改革后的数电实验教学中，每个硬件都增加一个仿真部分，内容布置在学生的实验预习中，先开放机房，让学生先行仿真，能对他们的硬件实验起到一定的指导作用。学生在硬件实验前对整个实验有一个基本的认识，操作时不会有畏惧、茫然的心理；做硬件实验时，学生可联系仿真结果，思考理论仿真与工程实验的区别，引导学生主动发现、思考、解决问题。

2 教学方法与方式的改革

根据学生的学习情况不同，考虑到个性化、差异化教学的要求，实验教学不能采取一成不变、完全统一的做法，在学生完成必做实验的前提下，学生可以进入到开放式实验室开展深层次的学习。开放式实验室提供学生丰富的实验项目、充足的元器件库，学生可以自由选题或设计自己的题目进行实验，教师提供指导而非教导，培养学生的自学能力，实现个性化教学。

随着信息技术的飞速发展与智能信息终端的普及，教师和学生可随时随地的进行沟通和联络。借助在线课程平台，采用多媒体手段，教师可以生动的描述课程内容和相关学习资料，结合理论与实验现象，采用各种丰富多彩的文本、动画、音频等，整个数电实验可以灵活、生动、形象、直观的在学生面前展示。课程团队将“三层次实验”教学理念融入在线课程平台的学习资料中，让学生自由选择时间和地点观看资料，并利用平台进行学生与教师、学生与学生的交流、讨论、答疑，实现交互式教学。

在数电实验中引入NI Multisim 10软件进行仿真，学生可以灵活操作，在实验项目的硬件实现前利用仿真工具进行原理电路设计、电路功能测试；硬件实现后还可以再一次进行实验电路的优化仿真，将实验电路做进一步改进，以做进一步提高；同时，对一些硬件电路较复杂，对元件要求较高的实验，可以利用仿真软件进行模拟设计和验证，培养学生的工程实践能力。

整个数字电路实验教学分课前、课中、课后三个阶段，如图1所示。

图1 多种教学方法手段支撑三层次实验

3 实验过程的改革

课程团队提供丰富的实验教学资源同时，采取规范的实验教学管理，确保实验教学质量的稳步提高和教学秩序的稳定，采取实验的“五环过程管理办法”[5]，如图2所示。该办法能够保证学生在实验室顺利地完成“三层次实验”课程教学。

图2 五环过程管理办法

3.1 实验预习

课程团队提前一周给在课程在线平台中开放本次实验的内容、原理、要求和相关的学习资料，并声明本次预习的截止时间。学生在阅读了所有的资料后，对硬件实验的电路进行设计和仿真；同时结合本次实验的注意事项，思考并解决电路设计和仿真实验中遇到的所有问题，并将所有问题和解决办法进行记录。完成所有要求任务后，提交预习报告。学生在预习过程中遇到了任何问题，都可以通过在线平台进行学生与学生、学生教师间的交流和讨论。

3.2 实验操作

学生进入实验室后须保持秩序，根据自己设计的电路进行元器件选取、安装、搭建及测试，并详细记录操作过程中的所有问题。这一过程中，教师在保证学生独立操作的前提下可进行适当答疑，以数字电路的原理和概念启发学生思考，使学生能够借助自身努力完成实验。

3.3 实验记录审签与器材检查

学生记录实验数据及问题时不允许更改，养成实事求是的科学作风。这些数据是学生进行思考总结的原始数据，它可以反映学生实验过程中的问题、对概念和知识的理解、掌握程度。记录的审签不是判断实验数据和结果的正确与否，而应侧重于学生是否认真思考和实验。此外，完成实验后，教师验收合格，学生方可拆卸电路，整理实验台，保持良好的实验习惯。

3.4 实验报告

撰写实验报告的过程是学生的学习反思过程，学生可以对实验和理论学习的进一步巩固。学生在课后针对未解决的问题进行思考，借助网络中的讨论区等，以多种方式实现与教师、学生之间的对话、协商、合作，帮助自己进一步理解所学的知识。这一反思过程促进学生对知识进行深加工，进一步思考问题和现象的本质，锻炼学生的自我批判性思维和创造性思维。

3.5 实验考核

在不进行考试的实验课程中，考核标准为预习20%、实验操作40%、实验报告40%。实验成绩的考核应尽量全面、公正，应标准化、定量化。正确的评价必须评价学生解决问题的技巧，自学能力，回忆和应用综合知识解决问题的能力，而不是实验是否成功、问题的答案是否正确。

4 结束语

实验课程作为培养学生实践创新能力的必修课，需要适合实验中心的科学的实验教学管理办法、丰富有效的教学资料等融合“三层次实验”教学理念的实验内容和教学方法。结合“三层次实验”理念的数电实验教学改革，使学生的学习、思考、操作、表达能力、工程意识和创新意识等方面都得到了进一步提高。这对电子信息类学生的专业课学习夯实基础，很大程度上培养并提高了学生的自学能力、理论结合实际、思考和主动进取的创新精神，满足国家特色专业及卓越工程师计划地培养需求。

[1]朱昌平.构建“五位一体”实践创新立体培养体系的探索[J].上海:实验室研究与探索,2009,28(8):8-11,29.

[2]丁金昌.实践导向的高职教育课程改革与创新[J].武汉:高等工程教育研究2015(1):119-124.

[3]宋凤琴.如何在电路实验中贯彻现代实验教学理念[J].实验技术与管理,2007,24(8):104-106.

[4]刘艳.模拟电子技术实验教学中的学生实践能力培养[J].北京:实验技术与管理,2010,27(2):110-112.

[5]朱昌平.通过“三层次”实验培养电子信息类专业学生实践创新能力[J].实验室研究与探索,2007,26(7):5-8.

[6]权茂华,孙建林,熊小涛.电镜实验教学中“三层次”培训体系的建立[J].实验室研究与探索,2014,31(5):171-174.

[7]高彦婷,张芮,马国军.水利工程类专业实践教学研究与实践[J].中国教育技术装备.2015(4):128-129.

[8]秦海鸿,黄文新,曹志亮等.电气工程与自动化实践教学体系的优化建设[J].上海：实验室研究与探索,2015,34(2):148-150,166.

[9]朱昌平.通信电子线路实验课程教学的“五环”过程管理办法[J].实验室研究与探索,2005,24(8):7-10.