应用型本科院校“数字电路”课程教学改革探索与实践

王 杨，李正洁，李元金

（滁州学院 计算机与信息工程学院，安徽 滁州 239000）

应用型本科院校“数字电路”课程教学改革探索与实践

王 杨，李正洁，李元金

（滁州学院 计算机与信息工程学院，安徽 滁州 239000）

针对目前应用型本科院校数字电路课程在理论和实验教学过程中遇到的问题为背景，介绍本校计算机与信息工程学院数字电路课程教学的改革方案，在理论教学中，以问题为导向，理论和实践相结合并引入现代教学手段，通过以“竞赛任务驱动”方式提高理论教学的质量，在实验教学中以建立“课堂教学、网络平台自主学习、实践教学”三位一体教学体系来完成，经过两学期的教学实践，取得了较好的教学效果.

数字电路；教学手段；竞赛驱动；三位一体

1 引言

作为高校电子信息、自动化、通信工程以及计算机专业的专业基础课，《数字电路》课程涉及到先修课《电路分析》、《逻辑代数》中的理论内容，并在此基础上进行拓展，同时为后续学习《单片机原理》、《计算机组成原理》、《嵌入式系统》等课程打下坚实的基础，本课程内容主要有逻辑代数基础、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲产生与整形电路以及A/D，D/A转换电路，通过该课程的学习，在掌握基本原理的基础上，学会对硬件电路进行设计，培养学生逻辑思维能力、增强学生运用所学的理论知识设计数字电路的能力，使学生具备一定的工程实践能力，因此该课程对学生专业素质的培养具有重要的作用和意义，但目前这门课程的常规教学方法已不能适应课程的发展需要，本文从课程教学改革的角度阐述改革的实践过程以及取得的成效.

2 理论课教学模式与方法改革

2.1 课程现状

伴随着数字电路技术的迅猛发展，理论课程的内容需要实时更新，并贴近实践的需要，原有的课程授课方式侧重于灌输理论知识，淡化了对动手实践的要求，与当今社会对人才的需求脱节，同时教学方式以多媒体课件为主，辅助以黑板板书的形式进行，此种教学方法和手段很难激发学生的学习兴趣和热情，学生觉得理论内容枯燥乏味，课下很难主动去学习本课程，无法较好的掌握课程内容，不能满足我校培养应用型人才的教学要求.

2.1.1 问题导向

针对《数字电路》课程理论性强的特点，采取以问题为导向的理论教学.具体来说在介绍每部分内容之前，结合日常生活中跟数字电路课程相关的例子来引入问题，比如在介绍组合逻辑电路可以先引入十字路口的交通灯报修电路来说明组合逻辑电路的类型，学生带着问题学习理论知识，能够激发学生的学习积极性，从而提高教学效果和学生听课的质量.

2.1.2 基于理论和实践相结合的方式

理论结合实践的教学方式在早期的授课过程中得不到重视，造成学生动手能力偏弱，学生在遇到实际的电路设计问题时无从下手，因此在对理论知识点的讲解授课过程中，穿插着一些数字电路设计案例去阐述，或者以引导法贯穿于理论课授课过程中，以提出的问题去引导学生思考并最终找到解决问题的方法，譬如在时序逻辑电路的章节讲解中，可以先引入交通灯管理器的案例，以该实例贯穿整个章节，学生可能刚开始无法完全听懂这个案例的设计过程，但通过这个典型的案例，对这一章节所要用的知识有个感性的认知，从一定程度上提高了学习兴趣和积极性.

本人在教学过程中积极探究和尝试新方法，对于理论结合实践的教学方法，设计一些难易度适中，覆盖知识面广的数字电路案例应用于课堂教学中，此外，课程内容知识点繁杂，同时课时有限，无法在有限的课堂时间中向学生传授更多的新知识和新技术，为了弥补这一缺憾，考虑到Internet技术的便捷性，本人在学校的BB以及泛雅平台上建立该课程的学习网站，并将授课的PPT课件、课后的习题和实践项目等学习资源上传其中，并根据应用型本科院校的学生特点实时更新，让学生不受时间和空间的制约，方便学生课下根据自身掌握情况去自主学习，解决了课时少与课程内容多的矛盾，传统教学方式主要是教师讲授，本人在授课过程中选择适当内容安排翻转课堂，让学生被动学习为主动学习，实践证明很大程度上提高学生学习的效率.

伴随着数字电路技术的迅猛发展，理论课程的内容需要实时更新、补充，在传统的授课方法中利用有限的教学课时想达到更高的层次很难做到，同时该课程的电路图很多，传统的将这些电路图在黑板上一一的画出来，有很大的困难，因此在目前的授课过程中，利用绘图软件multisim10.0、VHDL、Quartus9.0等现代化教学手段，将复杂的图表直观、形象地展示出来，如温度控制报警电路下图1所示，该方式不仅利于教师的讲授和学生的理解，同时极大的增加了课堂知识的信息量.

图1 温度控制报警电路

2.1.4 以“竞赛任务”驱动理论教学

每年安徽省大学生竞赛项目中，安徽省机器人大赛、安徽省大学生单片机与嵌入式系统应用技能竞赛以及安徽省大学生电子设计大赛等赛事，学生在备赛过程中，设计相关电路时都会用到数字电路理论知识，本人在教改授课的过程中，会将近几年参赛的题目中涉及到的数字电路模块根据授课内容的进度，在课堂上带着学生分析怎么去完成电路设计，让学生加强用课本上理论知识去解决实际问题的能力，从而进一步加深对抽象的理论知识点的理解，增强能学好这门课的信心，同时激发学生参加相关赛事的积极性.

3 实验课教学模式与方法改革

《数字电路》实验课作为理论课的补充，主要让学生把理论课所学的内容通过完成实验项目的形式消化掌握，传统实验课教学模式主要是设置几个实验项目，上课前几分钟由老师作简要介绍，由学生独立完成，老师检查实验项目完成情况，对学生进行评分；本人在日常实验课教学中对传统实验课模式进行了改革，主要特色如下：

3.1 建立“课堂教学、网络平台自主学习、实践教学”的三位一体教学体系

本课程实验课时有16学时的，因此在课堂上需要理论和实践相结合的教学模式，对于课程的实验项目相关内容采取教师在课堂上布置任务，梳理实验项目用到的理论知识点，课前学生预习实验内容，课上由学生分组和单人完成实验项目，另外教学网站上有本课程的教学资源，电子教案以及相关教学名师讲课视频内容丰富、生动形象，学生可以课下进行自主学习，弥补课堂时间不足的缺陷.“课堂教学、网络平台自主学习、实践教学”的三位一体教学体系从教学各个环节保证了教学目标的实现.

3.2 创新实验模式，提高学生的电路设计能力

本节通过仿真实验评估算法的定位性能.仿真实验场景设计如下：2维场景中有4个外辐射源，5个接收站，其位置如表1所示.双基地距离的测量误差设置为服从零均值的高斯分布，其协方差矩阵为Q=σ2R，其中矩阵R的主对角线上元素为1，其余为0.5.算法的定位误差为3000次蒙特卡洛仿真的均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)和偏差(Bias)，其定义如下：

鉴于数字电路课程的应用性强的特点，必须对数字电路实验模式进行创新，在实验实践教学过程中，实验模式由基本操作实践和自主创新设计两部分组成，在基本操作实践部分，主要使用学院实验室购置的TD-DS+高级数字电路教学实验箱，该实验箱模块种类齐全，可以完成绝大部分数字电路实验项目，充分使用该实验箱是为了让学生将所学的理论知识进行验证，比如组合逻辑电路和时序逻辑电路的验证，该方式摒弃了传统的数字电路实验多以软件绘图仿真运行得出结果的方式，创新了实验模式，实验效果得到显著的提升，此外，学生在使用实验箱上的硬件模块做实验的过程中，学生能对电子元器件有更直观的认识，避免出现了解理论知识，却不识电子元器件这种纸上谈兵的现象，真正将书本上的理论知识跟硬件实物相结合，在自主创新设计部分，将目前流行的Multisim10.0和EDA软件引入到硬件中来，让学生利用软件对所设计的数字电路原理图进行绘制、分析以及最后的调试，在调试成功的基础上，最后完成电路实物的焊接成型，使学生通过动手实践，分阶段来掌握整个数字电路设计实践的整个流程，最终能独立完成综合性实践项目设计，提高学生的电路设计能力，最重要是让学生通过电路实物的成型形成浓厚的学习兴趣，挖掘出学生的创新潜能.

3.3 改革数字电路课程设计教学模式

原来的课程设计教学模式是由学生分组，几个人一组来完成一个题目，造成抄袭现象严重，只有小部分学生是独立完成课程设计内容的，没有达到利用课程设计来提高学生数字电路系统的设计以及分析、解决电路实际问题的能力，同时课程设计主要用软件仿真完成，只体现出软件的一面，硬件的一面没有体现出来，学生对自己设计的数字电路具体实物没有直观感受，主要改革的内容是，由任课老师提供几十个参考题目，让每个学生根据自己的实际情况和兴趣自主选题，学生也可自拟题目，但题目必须经过老师审核通过后才可使用，每位学生完成一个题目，避免抄袭现象的出现，学生在设计过程中，需要完成软件程序设计，编译、下载和硬件电路的设计、调试，通过Protel99SE软件完成电路板的设计，得到可行的电路实物，最后每位学生对自己完成的题目内容进行答辩，答辩内容包括方案的选定，所用到的基本原理，技术指标，并认真完成课程设计报告的撰写.

3.4 在实践动手能力培养过程中提高学生创新意识和应用能力

学生只有在充分掌握相关理论知识并能应用于实践项目中，才能对该课程有较好的掌握，才能为以后解决工程性问题打下基础，才能在电路设计能力提高的过程中提高创新意识和工程应用能力.

4 改革考核方式

目前数字电路课程考核评价存在的问题：（1）实践教学考核机制不够完善，且所占比例较小；（2）对于学生实践创新方面的考核基本没有；（3）试卷分数在课程考核中所占比例较大.

改革考核内容：（1）采用闭卷和开卷相结合的方式进行，闭卷考查理论知识，开卷考查电路实践设计能力；（2）平时性考核和期末考核相结合的方式，平时注重学生实验项目完成程度的考核，期末考试注重学生对数字电路理论知识掌握的程度考核；（3）为了更好的实现应用性人才培养目标，适当的加入学生创新实践方面的考核，如学生参加安徽省大学生单片机与嵌入式系统应用技能竞赛、安徽省机器人大赛以及安徽省大学生电子设计大赛等赛事获奖，根据获奖等级（一等奖、二等奖、三等奖），一等奖获得者可以申请期末免试，二等奖、三等奖获得者在相关考核中加分30分,20分，积极探索“以赛代考”、“以证代考”等新的考核方式，实践证明这些新的考核方式，将学生从传统的灌输式学习方式中解放出来；激励学生主动去学习，去探索，这样起到事半功倍的学习效果.

在数字电路教学过程中采用上述改革措施，经过两学期的探索和实践，学生对这门专业核心课程的学习兴趣得到了很大的提高，通过课堂中软硬件相结合的方式，学生不仅学会了教材中抽象的理论知识点，活跃了思维并能将理论知识灵活的应用到实际的电路设计过程中去，学生参加各类涉及到数字电路内容的比赛积极性更高了，在2016年度获得各类奖项9项，其中国家级奖项2项，安徽省级奖项6项，在教学改革措施的实施过程中，尽力做到理论知识、动手能力、综合素质有机结合的原则，突出我校应用型本科院校“学以致用”办学理念，在以后的教学过程中，还需不断完善教学改革方案，激发学生的学习热情，强化学生的动手能力，不断提高教学质量，为学生后续课程的学习，参与竞赛以及毕业设计，项目开发奠定坚实的基础.

〔1〕阎石.数字电子技术基础（第四版）[M].北京:高等教育出版社，1998.

〔2〕康华光.电子技术基础:数字部分(第四版)[M].北京:高等教育出版社，2000.

〔3〕童诗白,徐振英.现在电子学及应用[M].北京:高等教育出版社，1994.

〔4〕黄荻,鄢立.融入EDA技术，深入数字电路课程改革[J].中国现代教育装备,2008(2):24-26.

〔5〕朱幼莲，翟丽芳，黄成.数字电路课程的教学改革与实践[J].江苏技术师范学院学报,2005,11(4): 67-70.

〔6〕王勇.模拟与数字电路实验的课程设置[J].电气电子教学学报,2007,29(1):6-7.

〔7〕刘新元,谢柏青.数字逻辑电路实验课程改革[J].电气电子教学学报,2009,31(2):8-10.

G642

A

1673-260X（2017）07-0219-03

2017-04-03

滁州学院教学质量工程项目：《数字电路》课程综合改革（2016kcgg015）；滁州学院校级科研立项项目：基于改进K-means算法的一卡通系统大数据的分析与研究-以滁州学院为例 （2015GH12）；滁州学院校级优质课程项目：C++程序设计（2015yzkc04）；安徽省自然科学基金项目：基于移动最小二乘法与双调和样条的XRII图像扭曲校正方法研究（1308085MF96）；安徽省教育厅自然科学研究重点项目：C臂CT图像三维金属伪影去除方法研究（KJ2014A186）