《数字电子技术》教学与实验改革的探索与实践

雷瑞庭 宋跃 杨杰 李明旭

(东莞理工学院 电子工程学院,广东东莞 523808)

《数字电子技术》教学与实验改革的探索与实践

雷瑞庭 宋跃 杨杰 李明旭

(东莞理工学院 电子工程学院,广东东莞 523808)

在教学型本科院校《数字电子技术》教学中，依托国家特色专业建设的实施，本着“加强基础，注重实践，以项目驱动强化工程意识和实践能力培养”的原则，从课程目标、理论教学、实验教学的设计方面对电子信息工程、通信工程等专业的该课程教学改革进行了探索与实践。实践证明该建设是行之有效的，文中重点讲述了该课程教学设计思想与实践过程，同时介绍了课程设计案例及教学实践过程。

课程教学大纲；课程设计；实践与创新；实验教学

《数字电子技术》是电类专业的重点学科基础课程,是后续计算机原理、单片机、EDA、DSP等现代技术课程的先行必修课,具有理论性和实践性都很强的特点[1-3]。目前教学计划安排总学时72,其中实验16个,课程设计1周。在教学中存在以下问题:

1)理论课时减少,教材中知识点多面广,根据专业与方向进行处理得不多,理论分析与工程应用的矛盾明显。

2)学生的实验与设计能力差,特别是课程设计,满足不了实践创新的需要。

3)教师精心编写的实验讲义与商业化的实验箱的完美结合,现代教学手段的普及推广,对教学质量的提高利弊参半,该如何取舍？

东莞理工学院电子信息工程专业是国家特色建设专业,同时也是教育部卓越工程师培养计划的实施专业,该课程是校级精品课程,目前IT类工程专业学生核心专业能力基本上都定位在使用集成电路、设计集成电路、优化系统结构的能力等方面[2,4-5]。数字电子技术恰恰是这些核心能力培养的基础,为迎合新形势下的需要,从人才培养要求出发,我们对该课程在理论教学、实验实践方面进行了教学探索与改革。

1 改革目标

1.1 规范教学文件

按照学校统一部署,参照高等教育国外发达国家和地区通行的做法,设计“数字电子技术课程教学大纲”,大纲在课程目标、基本概念、设计思路、课程内容突破传统教学大纲的束缚,将素质教育、能力为本的教学理念融于其中。

1.2 改进教学目标

课程定位在培养学生具有数字电子电路和基本脉冲电路的基本知识,以及应用这些知识进行电路的分析和设计的能力。为计算机系列课程打下基础。在实验项目、教学课件、课程设计等方面在考虑学生具有较扎实的理论基础的同时,都应把培养学生综合能力放在重要位置[3-4]。

1.3 修改课程目标

1)知识与技能目标:要求学生掌握数字电路的概念、逻辑代数基础、门电路、触发器的基本知识,较深入地理解数字组合逻辑电路、时序逻辑电路和脉冲电路的产生和整形;了解半导体存储器件的特点、可编程逻辑器件的初步知识;熟悉A/D、D/A的工作原理以及常见的类型、特点。

2)过程与方法目标:数电教学是激发创新精神的源头之一,通过对一些经典数字产品的设计和制作,激发学生对课程和电子技术领域的学习兴趣,培养自我创新意识。了解现代数字系统设计的基本过程[4-5]。

2 理论教学改革

2.1 扬长避短合理运用现代化教学手段

图1是本课程教学改革总体设计图,在教学中对多媒体投影要扬其长避其短,对于各种数字电路的分析与设计案例,教学中坚持:对于逻辑电路的分析与设计,特别是时序电路,必须用粉笔在黑板上“脱稿”与学生一道“共同”来体验分析与设计的全过程。

图1 数电教学改革方案

2.2 从专业的应用出发，理论讲授有取有舍

1)对常用的组合逻辑电路只以2个为案例(如译码器、数据比较器)来具体讲解,重点讲解分析方法、宏观特性及应用。

2)对各触发器重点放在分析方法、功能特点的归纳及其应用上。如JK触发器功能归纳为“J0K0不变,J1K1翻转,JK不同随J变”,对于下跳翻转的主从JK,在CLK=1期间,若JK有多次变化时,不能简单地用以上顺口溜来确定输出,而必须用到:在Q=0时只要J=1就有Q=1,J再回到0仍有Q =1;在Q=1时只要K=1就有Q=0,K再回到0仍有Q=0。对学生来言,既要让学生掌握上述结论,又能熟练地应用到实际的电路分析,同时要让学生理解其分析方法。

3)对教材中的半导体存贮器、可编程器件、硬件描述语言简介3章仅作简单的介绍[6-8]。对门电路弱化理论性过强的微电子信号分析,而对常用芯片的输入输出特性、引脚处理做较强的讲述分析和引导。对于555,功能表需要对照电路来分析,而后续的应用把555作为一个功能块来分析即可。

4)对ADC转换,在讲述转换原理时,要与量化、分辨率、精度、速度等指标联系起来,突出应用,强调实用中特别关注的精度、位数、价格、速度、LSB、FSR、3位半等概念。

2.3 软件仿真

鼓励学生课外运用Multisim软件来分析验证电路原理,完成实验设计的仿真,降低设计实验环境与成本,提高实验效率。

3 实验教学改革

3.1 实验教学设计

16学时的实验设计为:验证性3个,验证+设计性2个,设计性1个,综合+设计性1个,分配4学时。综合设计性实验和课程设计在该实验开设的前一个月通过该校级精品课程网站发放任务书。

3.2 “无实验讲义的实验”探索

所谓“无实验讲义的实验”,指对于验证性实验、综合性实验、设计性实验,没有实验讲义,只有任务书,学生自行查资料,自己编排实验,自己利用实验室设备或自制的便携设备自主进行实验,教师负责答疑和结果考核。

3.3 课程设计改革

1)任务书的改进:课程设计选题1周,命题突出实用性、综合性、设计性,设计任务书中主要提出设计任务、技术指标、实验方法、报告要求、给出设计参考框图、可供器件、实验关键注意事项等,类似“无实验讲义的实验”教学。任务书重在给学生一个提示性的引导,设计中要充分发挥学生的创造性思维,强调学生学习的自主性。如函数信号发生器任务书的主要内容设计如下:

一.技术指标

设计200Hz-4KHz可调的锯齿波和阶梯波产生电路,而且可以从已烧录好的存储器中取出正弦数据,产生正弦波形。

二.设计参考框图如图2。

图2函数信号发生器的设计框图

三.实验方法

1.教师提供设计框图和元件清单,学生自己查阅资料设计电路。

2.教师提供已烧录好的存储器。

3.学生在实验箱上连线、调试电路、测出波形。

四.课程设计报告要求重点写出组装调试的内容、调试中出现的故障、原因及排除方法,总结设计电路的特点和方案的优缺点,指出课题的核心及实用价值,提出改进意见和展望。

五.注意事项1.运放需要双电源供电;2.调整线路前,必须先关掉电源;3.Rw1、Rw2可用实验箱上的可调电位器。

六.可提供的元件:CD40106、DAC0832、CD40193、28c64、74LS151、uA741、74LS08、74LS00、4.7k、10k、47k、1k、0.001uF

七.扩展部份:在锯齿波电路的基础上设计三角波发生器、幅度控制、任意波产生。

八.提示.计数器做加法可得正向锯齿波,做减法则输出负向锯齿波。交替做加减可得三角波。

2)知识技术补充:课程设计中,由于有些知识学生还未涉及,需要给学生集体指导,如《函数信号发生器设计》项目需从实用角度介绍EPROM的基本类型、三总线、存储容量、写入擦洗读取方法等基本原理与使用要领;简单说明DAC0832双极性输出的必要性及实现电路;28c64的内容(有正弦波、锯齿波等)由老师烧录好提供给学生。

3)课程设计验收:采取现场验收答辩的方式,从理论设计、技术实现、实验结果上综合考察。如《函数信号发生器设计》项目分基础部分与扩展部分来考核,基础部分包括基本电路原理、频率计算与调节、信号波形参数的读取;扩展部分包括输出信号的幅度控制原理与实现方法,任意波形的产生原理与实现,能否利用地址循环方法实现锯齿波到三角波的变换,正弦波信号存储器芯片数据的获取与烧录等。

3.4 自制便携式的数字电路系列实验箱（板），拓展学生实验的“时空”

教师带领部分优秀学生,制作了系列课程设计教学示范板,该板在实现基本功能和扩展功能的同时,适当地考虑了系统扩展,具有较多的测试点、连接插孔、拨动开关、芯片插座等,便于修改电路和测试。对鼓励学生完成设计、工程制作、激发灵感,具有较好的示范和激励效果。近5年来自制便携式数字电路系列实验箱2种近200套,广泛用于学生的实验、课程设计与创新。突破了传统实验室的“时间”、“空间”限制。

4 实践结果及思考

通过改革实践表明,学生的基础知识突出了重点,分析能力与实验实践能力有所提高,在数字电路实验改革中,电子工程学院经过3次调查,学生认为很好的比例分别是:97.47%、92%、97.3%。课程设计实践结果表现为:大部分学生能基本完成功能的实现方法、器件选择、线路设计连接、功能验证、参数测量等,扩展部分在教师的引导下能基本完成设计与实验。学生的综合能力得到了有效的训练。

通过改革,笔者认为:数字电子技术理论教学应重在电路的分析方法、集成电路的功能与应用设计上,实验教学中“无实验讲义的实验”、拓展学生“时空”的课外实验设施对学生设计与动手能力的提高有着较大的推动作用。

但还存在以下问题值得思考:

1)在教材选用上,目前选用清华大学阎石《数字电子技术》第5版。笔者认为可以值得商榷,我们以突出应用和综合能力培养为目标,其教材也应突出这一主题。2)数电作为专业基础课,如何能与企业项目对接,“真枪实弹”地干？

[1] 刘银萍,陈惠珊.“数字电子技术”实验教学改革的探讨[J].实验室研究与探索,2006(8):981-983.

[2] 薛延侠,郑燕.“数字电子技术”课程教学改革的探讨[J].西安邮电学院学报,2006(1):116-118.

[3] 叶娅.深化数字电子技术课程教学改革[J].长江职工大学学报,2000,17(1):58-59.

[4] 黄解军,袁艳斌,崔巍,等.创新型实验教学体系的改革与实践[J].实验科学与技术,2007(5):80-82.

[5] 黄扬帆,甘平.电子类基础实验教学改革的探索[J].实验室科学,2009(3):25-27.

[6] 曾惠霞.数字电子技术实验实训教学改革的探索[J].广东技术师范学院学报,2010,31(6):59-60.

[7] 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(5):105-107.

[8] 叶秉良,戴文战,杨蔚琪,等.基于"三点一线"模式建设实验教学示范中心的创新思路[J].实验室研究与探索,2007,26(9):69-71.

The Teaching and Experimental Re form in Digital Electronic Technology

LEIRu i-ting SONG Yue YANG Jie LIM ing-xu
(College of Electronics Engineering,Dongguan University of Technology,Dongguan 523808,China)

In the teaching of digital electronic technology in teaching-oriented colleges,and relying on national characteristic specialty construction,the principle of“thickening foundation,emphasizing application”was used.The teaching was designed and practiced by the design of curriculum goal,theory teaching,experiment teaching for the communications professional engineering and electronic information engineering.The practice proved that the construction was effective.In this paper teaching design,practice process,thinking were discussed,meanwhile curriculum design case and process of teaching practice were introduced.

course outline;curriculum design;practice and innovation;experimental teaching

TP301

A

1009-0312(2015)01-0104-04

2014-09-03

教育部财政部第四批高等学校特色专业建设点项目TS11659;2013年广东省精品资源共享课建设项目;东莞理工学院2012年教学研究与改革项目;东莞理工学院2012年精品资源共享课项目。

雷瑞庭(1980—),男,湖南郴州人,学士,实验师,主要从事电子信息工程、创新与实验研究。