数字电子技术课程实践能力强化研究*

李双喜，王　磊，王　岳

(安徽科技学院 电气与电子工程学院，安徽 蚌埠 233101)



数字电子技术课程实践能力强化研究*

李双喜，王磊，王岳

(安徽科技学院 电气与电子工程学院，安徽 蚌埠 233101)

摘要：数字电子技术作为电气信息类专业重要的专业基础课程，强化学生数字电子技术课程实践能力的培养，对人才培养方案确定的培养目标实现以及学生的数字技术创新能力的形成都具有积极的意义。本文以安徽科技学院高水平应用型大学建设背景下的数字电子技术课程教学改革实践经验，阐述了强化学生数字电子技术实践能力培养的措施与方法。

关键词：数字电子技术；实践能力；实验教学；应用型高水平大学

数字电子技术作为电气信息类专业一门实践性突出的技术基础课程，强化学生数字技术实践能力的培养，对课程教学目标的实现具有重要的作用。扎实的数字电子技术实践能力与创新能力也是后续专业课程学习的重要支撑，是学生实现现代数字技术运用与创新的基本保证[1]。

本文结合安徽科技学院2010、2013、2015版电气信息类专业人才培养方案的改革与高水平应用型大学建设的数字电子技术课程教学实践，探讨了我校电气信息类专业数字电子技术实践能力培养的改革措施与方法[1]。

1拓展实践环节、渐进式培养实践能力

1.1传统数电实践环节存在的问题

传统的数字电子技术实践教学环节主要由“课程实验”、“课程设计”两个主要环节构成。其中课程实验主要是验证数字逻辑信号电平关系、逻辑门、中小规模组合逻辑集成电路、时序逻辑电路的逻辑功能以及时序特征，具体的进程安排一般是配合课程的章节教学进程实施，起到理论联系实际、增强感性认识的作用，达到掌握数字信号特征、逻辑芯片功能以及初步运用的基础实践能力。而专门设置的数字电子技术课程设计则是以一定规模的综合性的数字电子技术课题为研究对象，达到综合运用各种逻辑关系以及选择不同逻辑功能的芯片实现特定功能的数字单元或小型数字系统为训练目的。

仅仅依靠“课程实验”、“课程设计”两个基本环节实施，实践中我们认为存在以下问题：

1) 由于实施“平台+模块”模式的人才培养方案的实施、专业基础课程的学时都有一定的压缩，课程实验环节的学时也相应的缩减。

2) 由于开设的实验的数量和实验项目学时的限制，难以将数字电子技术常见芯片的应用进行深入运用，影响了学生对数字电子技术器件综合运用能力的提升。

3) 鉴于学校对课程实践教学的经费划拨是根据实验项目的数量、实践教学的周数、班级数进行核定，因此仅仅依赖这两个环节，实践教学的材料采购基数往往不能够满足实际需要。从而限制了创新性实验与项目的规模、复杂程度的提升，限制了实践教学效果的提升。

4) 由于平行班级学生数的增加，且实验、实践指导教师数量以及教学工作量计算方法的限制，实验课程和课程设计环节的开展往往采取大班进行，因此限制了学生与教师的实践互动交流的时间以及实践效果。

5) 由于只有两个实践环节支撑学生数字电子技术实践能力的培养，限制了学生数字电子技术实践能力训练向综合化、创新化、深度化方向强化。

1.2优化数电实践环节，强化实践效果

为克服传统的数字电子技术实践教学环节所带来的“实践学时不足”、“师生实践互动交流不充分”、“实践教学经费有限”、“循序渐进性不足”、“实践教学项目技术复杂性低”、“器件类型限制”等实际缺陷，优化数字电子技术课程实践教学环节，推进循序渐进模式训练，实行课程实验、课程综合设计、电子工艺实践、专业综合实践、专业技能训练层次递进模式进行，配合课外竞赛以及科技活动等方式不间断推进强化，可以有效解决数字电子技术实践能力培养存在的弊端。表1所示是我校电气信息类专业与数字电子技术实践能力培养密切相关的实践教学环节。

表1　安徽科技学院电气信息类各专业数字电子技术实践环节

2案例驱动，增强兴趣，强化理实结合

兴趣是最好的老师，数字电子技术传统实验项目设置从门电路的特性测试开始按照各章节的理论内容进行设置，各部分的内容相互独立，缺少在数字系统环境下的数字电路功能与价值体现，而课程设计由于多方面的实际原因，课程设计的项目技术复杂性也不能向深度引入。从而限制了学生对数字电子技术实践的兴趣。

2.1科学设置案例，提升自主实践的积极性

“交通灯”、“数字时钟”、“竞赛计时器”、“庆典倒计时牌”、“LED点阵广告牌”、“数字显示终端”、“抢答器”、“计算机键盘”、“电子电压表”、“数字血压表”、“转速表”等等这些数字装置设备都是同学们日常生活中经常见识的，思考为什么靠数字电子技术能够实现这些，是每个学生刚接触数字电子技术都会想自己动手尝试实现的。

因此数字电子技术实践环节案例的选取应遵循：

1) 案例能够体现典型的数字技术运用，为大家所熟悉；

2) 案例对器件的要求以案例功能模块的实现为导向，充分围绕所选即为所用；

3) 案例设置的技术复杂性遵循渐进方式，由易到难，逐步提升学生实践成功的信心；

4) 案例设置遵循层次性，体现数字器件、数字功能单元、数字小系统到复杂系统的延伸应用，不断强化典型数字功能单元在复杂系统中的运用，增强学生在实践中对复杂数字系统的解剖、分析、设计能力。

2.2激发实践好奇心，强化解决问题的能力

例如：随着工业技术的不断进步，在自动化控制、精密机械加工、航空航天技术以及所有要求高精度定位、自动记录、自动瞄准等高新技术领域内，步进电机得利了广泛的应用。

步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的机械角度，脉冲一个一个地输入，电动机便一步一步地转动。它具有快速启停、精确步进、误差不会长期积累以及能直接接收数字信号的特点，在数字控制系统中得到了广泛的应用[2]。

图1就是利用最常见的移位寄存器74LS194构成一种环形计数器，在移位控制信号的作用下可以按照有效循环0001-0010-0100-1000工作，电机正转；按照0001-0100-0010-0001工作，电机反转。将移位寄存器的并行输出送到步进电机的功率驱动电路就可以直接驱动电机工作了。

图1　74LS194实现四相单拍步进电机驱动脉冲分配驱动电路

再比如在通信系统中常常需要频率稳定度极高的频率源来使用，在实际工作中可以通过PLL技术获得高稳定度的频率信号。图2使用数字PLL芯片CD4046，通过74LS90完成N分频，74LS191完成M分频。

图2　计数器作为分频器使用

因此通过与技术紧密结合的方式将数字电子技术的运用在工程实践上的灵活运用展现在学生面前，促进学生分析问题、解决问题，使学生的创造能够落地生根并加以实现。同时能够有效引领学生工程实践能力的好奇心，强化解决问题的能力。

3仿真与项目训练并举，完善实践手段

学生数字电子技术实践能力的提升需要获取一定的实践经验作为基础，因此改革数字电子技术实践手段是十分重要的。目前良好的数字技术的仿真平台为数字电子技术实践能力的培养提供了不可或缺的技术保障，但是单纯的仿真手段在实践上对全面提升学生数字电子技术实践能力还是存在先天性的不足。我们认为仿真技术与项目工程实际训练并举能够进一步有效强化学生的数字电子技术的综合实践能力[3]。

3.1以仿真为辅，强化验证与推断

随着计算机仿真技术的发展以及数字开发技术的进步，目前用于数字电子技术仿真的软件很多，常见的如EWB、Multisum、Proteus、QuartusII、Altium designer等等都可以作为数字电子技术的仿真实践平台运用。

虚拟的仿真平台具有与真实的环境相似的场景，如EWB(电子工作台)软件以及后续版本Multisum都具有工作台环境，布置有需要使用的虚拟仪器和电子器件，使初学者具有临场的体会。在虚拟环境中不存在器件的配置受限、实际损失产生等缺陷，即使失败可以从头再来，直至达到理想的设计、工作效果。仿真过程中参数的调整、器件故障的设置、电路工作状态的分析等等都十分方便。

更专业的数字电子技术仿真平台可以实现对数字系统的性能深入分析、提供参数优化与分析、设计代码编译、综合与实配、下载等实际功能。可以有效帮助学习者在课题、项目的设计阶段完善设计效果，强化数字电子技术实践对理论正确性的验证与推断。

3.2仿真技术与工程训练并举，相得益彰

任何仿真工具的工作都是基于计算机算法实现的，与真正器件在组成电路时存在的器件个体差异、电子线路工艺水平、器件参数差异、驱动能力、功率损耗等等方面的实际情况是无法仿真实现的，因此真正的数字电子技术实践经验和能力必须依靠一定强度和范围的实际操作强化才能得到有效提升。在强化学生课程实践能力方面，实实在在的面对项目、课题以及案例进行实际操作训练是必要的，仿真手段在实践教学实施过程中只能作为辅助手段加以灵活运用和补充。

鉴于数字电路从20世纪的中、小规模集成电路的运用进入到CPLD(复杂可编程)、FPGA(现场可编程)环境，技术含量高、系统结构规模大的数字单元或系统在CPLD/FPGA开发版上易于实现，辅助其他的传感器模块、显示器件、电源模块、执行器等等可以方便地根据项目的实际需要进行真实的数字电子系统实践训练，从而强化学生实践能力的提升，经验的总结与丰富。

根据教学实践我们的经验是：

第一：设置以中、小规模数字集成电路为器件的数字系统(产品)作为先导，夯实以“搭积木”手段开发数字电子技术的实践能力。实践选取以常见的数字产品为基础。采用全数字的方法完成。经过这样的项目训练，可以有效使学生熟悉器件的性能、逻辑功能、正确使用、参数选型、电路测试、电子工艺以及热设计等方面的知识。

第二：以EWB、Multisum、Proteus、QuartusII、Altium designer等仿真工具作为辅助手段，可以充分利用大学生的课程课外学习、课外活动以及科技创新、专业竞赛等环节强化对数字电子技术实践能力的巩固。由于不涉及具体的实物器件的消耗，学生设计、训练的自由度高，有创意、有项目、有思路就可以不受实验室条件的限制进行实践。

第三：以现代数字系统的设计作为数字电子技术实践能力的核心，运用UP-DOWN或BOTTOM-TOP的设计方法，结合数字系统开发板进行复杂的实际工程项目开发训练，从而强化学生作为工程师在数字电子技术实践能力方面的培养。

4结论

随着数字电子芯片的发展以及数字开发手段的进步，不断优化数字电子技术实践教学环节、优化实践教学内容对推动应用型高水平大学建设背景下的数字电子技术课程教学将产生积极的意义，学生在学校获得的数字电子技术实践能力与企业对人才的能力与素质需求将真正对接得上。

参考文献

[1]万毅.数字电子技术实践教学评价体系和评价方法的研究[J].实验科学与技术,2013(5)：122-124.

[2]张雪平，李双喜，张玉芝，等.数字电子技术[M].北京：清华大学出版社,2011.

[3]吴庆畅，高联雄，赵波.提高数字电子技术实验教学质量的分析[J].云南大学学报(自然科学版),2013(S1)：143-145.

收稿日期：2015-12-10

基金项目：安徽科技学院质量工程项目资助(XJ201222/X2014055/XJ201453)

作者简介：李双喜(1972- )，男，安徽怀宁人，副教授，研究方向：光电信息检测与控制、高等教育教学管理与研究。

文章编号：1674- 4578(2016)02- 0075- 03

中图分类号：G420；TN79

文献标识码：A

The Research on the Practice of Digital Electronic Technology Course

Li Shuangxi, Wang Lei, Wang Yue

(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,AnhuiScienceTechnologyUniversity,BenbuAnhui233101,China)

Abstract:Digital electronic technology is an important professional basic course for electrical information specialty; it has positive significance to the implementation of training objectives and the formation of the digital technology innovation ability by strengthening students’ ability of digital electronic technology curriculum practice. This paper expounds the measures and methods of strengthening student’s digital electronic technology and cultivating the ability of practice based on the experience of the teaching reform and construction in applied high level university.

Key words:digital electronic technology; practical ability; experiment teaching; applied high level university