“电子技术实验”教学改革的几点思考

陈 璨， 任旭虎， 李 林， 刘复玉

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院， 山东 青岛 266580)

“电子技术实验”教学改革的几点思考

陈 璨， 任旭虎， 李 林， 刘复玉

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院， 山东 青岛 266580)

本文针对高校“电子技术实验”单独设课后存在的知识系统化薄弱、与后继专业课缺乏有效的衔接、教学内容软硬件一体化融合度不足等问题，提出了系统化、层次化、模块化、专业化、软硬件一体化的改革思路，同时对实验的考核和实验报告的撰写提出了建议，希望对其它独立设课的实验教学具有一定的参考价值。

电子技术；实验教学；考核方式

0 引言

随着集成电路规模的飞速发展，电子技术在各个领域不断渗透。作为电子技术实践教学的基础，国内外许多高校针对电子技术实验进行了深入的研究与探索，同时也开展了相应的改革和调整[1]。针对我校当前“电子技术实验”教学的现状和独立设课后暴露出的问题，结合电子技术器件、电子技术设计方法及工具等方面的发展，我们从实验内容、实验教学方式、实验手段和考核方式等方面对“电子技术实验”教学进行改革探索，努力提高学生的综合创新能力[2]。

1 实验教学现状及改革必要性

1.1 实验内容系统化薄弱

我校2006年开始将“电子技术实验”独立设课，但是长期以来该课程还是沿袭传统的模式进行，实验效果较差，其表现为：

(1)虽然形式上已经从理论课中独立出来，但仅仅是形式上的独立，没有根据实验课特点自成体系，内容安排、实验进度、知识点学习上没有自己的特点，仍是理论课的附庸。

(2)各个实验相对孤立，之间没有太多的衔接，造成学生的知识体系混乱。当学生设计复杂题目时，往往感到很茫然，无从下手，感觉学的知识用不上，不会用。

(3)实验内容和进度的安排方式比较单一，无论是什么专业，也无论是普通班还是拔尖卓越班，开设的实验都差不多，专业特点不明显。

(4)针对每个专业，实验内容安排上没考虑与后继课程的衔接，学生学习比较盲目，目的性不明确。

1.2 软硬件一体化的实验缺乏融合度

以“电子技术实验”(数字电路部分)为例，内容大体上可以分为实际操作的硬件电路实验和上机操作的EDA软件实验。传统的实验进行方式是先进行软件仿真，然后进行实际操作，两者基本上没有任何交叉，这样造成学生从概念上把两者孤立起来，认为软件只是为了仿真和验证，没有真正认识到两者之间的联系[3]。

1.3 实验内容没有体现学生个性差异

受课时和时间的限制，现在的实验课内容安排基本上是一个班做一个实验，选题上没有体现学生的个性差异，因此没有完全调动学生的积极性和激发学生的主动性、创造性，影响了实验效果。

1.4 考核方式需要优化和完善

现有的考核方式偏重于实验结果和实验报告，对实验过程考核的较少，造成了学生追求速度和结果，而忽略了做实验的真正目的。另外对实验报告的撰写和评价的方法也要根据实际情况做进一步的完善[4]。

2 “电子技术实验”教学改革方案

针对“电子技术实验”上述存在的问题，在对其它兄弟院校做了充分的调研后，结合我校的实际情况，我们提出了“模块化、层次化”的实验教学改革思路，提出了以能力培养为总目标，以内容结构调整为手段，完善“电子技术实验”教学体系，实现学生创新能力和实践能力的不断提高。此项教学改革不应单纯是某一方面的改革，而应该从时间安排、实验内容设置、教学方法和考核模式等方面全面展开，下面以“电子技术实验”(数字部分)为例进行详述。

2.1 调整实验内容结构，形成模块化体系

按照教学大纲安排，数字电路的实验安排应包含以下内容：基本门电路逻辑功能测试、组合逻辑电路设计、数据选择器与译码器的应用、集成触发器的功能测试、计数译码与显示、半导体存储器和可编程逻辑器件、脉冲信号的产生与整形等。长期以来，这些实验内容只是让学生做一些支离破碎的、缺乏联系的实验，不能让学生通过实验掌握分析一个(大型)电路系统的方法。这些实验大都以中小规模电路为主，大规模数字电路实验较少，在实验安排上也很少考虑各个实验相互之间的衔接与综合，以至于学生缺少大型数字电路实验的训练机会，难以培养出学生综合设计电路的能力。这种实验课程构架已经落后于当代对学生科学素质、实验技能和创新能力培养的要求。

基于此我们经过充分的调研，提出了模块化的实验教学模式。该教学模式是着眼于实验项目之间的联系和整体性要求，对传统数字电路实验项目进行整理和分类，精选出由几个密切相关，层层递进的分项目组成的、形成系列的若干实验项目。这些实验项目均是覆盖知识面广、综合性强、具有代表性的系列化实验[5]。例如按照学生认知规律和能力要求，把实验内容整合为基本门电路逻辑功能测试、组合逻辑电路设计(即原来的组合逻辑电路设计、数据选择器与译码器的应用的内容)、时序逻辑电路设计(即原来的集成触发器的功能测试、计数译码与显示的内容)、半导体存储器和可编程逻辑器件、脉冲信号的产生与整形五个模块。

以改革后的时序逻辑电路为例，通过对实验项目进行整理和重新分类，时序逻辑电路共包含如下子项目：

(1) 集成触发器功能测试及应用；

(2)触发器构成的计数器；

(3)集成计数器构成任意进制计数计；

(4)数字钟电路的设计与制作。

时序逻辑电路实验还涉及如下知识点：

(1) 熟悉基本R-S触发器的组成和工作原理；

(2)掌握触发器、D触发器、J-K触发器的逻辑功能和使用方法；

(3)掌握时序电路的分析方法；

(4)能用集成触发器组成同步或异步计数器；

(5)用集成计数器构成任意进制计数器；

(6)能分析和设计数字钟电路，会制作和调试数字钟电路。

从以上例子可以看出，随着实验课程的推进，实验由简到繁，由小规模到中规模再到大规模，最后再将这些子项目综合起来设计成一个完整的、符合要求的整体电路。实践证明，这样的教学方式由浅入深、由简到繁、层层递进，符合学生的认知规律，不仅培养了学生有步骤、有节奏的设计能力，而且由于实验项目涵盖知识面广泛，内容前后联系性强，有利于学生掌握完整的知识体系。

2.2 形成与后继课程衔接的教学体系

我院每年有4个专业15个自然班都需要进行数字电路实验，说明这门专业基础的数字电路课程是很重要的，但是在后继专业课程的学习中，我们发现学生对数字电路相关知识的理解不深不透，运用存在严重脱节现象。究其原因，我们认为传统的数字电路实验安排内容单一，没有考虑专业的特点，所有班级都做同样的内容，致使重点不突出，撕裂了数字电路与本专业的联系，同后面的课程衔接不好，甚至对后续课程的学习造成了障碍。为此我们根据专业的特点和后继课程的需要，对实验内容和实验重点做了调整，争取在实践环节上帮助学生完成整个知识体系结构的建立，使学生对数字系统和后继课程之间有综合性的整体认识。例如对于电子专业的学生来说，学习了“电子技术”课程后，学生应该重点理解半导体器件和放大电路的工作原理，掌握数字处理与运算的基本原理，注重数字电路基础知识的拓展与深化，会利用集成数字电路芯片设计出功能较为简单的逻辑电路，并掌握寄存器、存储器等计算机中必须使用的器件的工作原理。这样，为后续的“计算机组成原理”、“微机原理与接口技术”等专业课程提供理论与实践的基础。

2.3 促进软硬件一体化实验教学的深度融合

在这方面，我校把数字电路、EDA设计根据专业的不同进行相应的融合和调整，相应的实验内容和实验形式也做了较大的改动：①对于基础的门电路组合逻辑实验，先进行基础的硬件实验，通过在实验箱上选择相应的芯片进行连线、实现一定的逻辑功能，借以巩固和检验理论知识。然后通过EDA设计软件(QUARTUS II 9.0)，用软件的方法做同样的内容，借以熟悉软件的使用方法和相应的编程语法。②对于复杂的门电路组合逻辑实验以及时序逻辑电路，用EDA设计软件进行逻辑功能的仿真和时序功能的仿真，在验证无误的情况下，再用数字电路实验箱实现。③对于因芯片资源有限，数字电路实验箱无法实现的组合逻辑和时序逻辑电路，首先用EDA设计软件进行逻辑功能的仿真和时序功能的仿真，在验证无误的情况下，通过计算机下载到可编程逻辑器件(如FPGA 、CPLD)中，借以验证设计的正确与否。这种实验教学方法有较多的优点：①学生通过传统器件和可编程逻辑器件的比较设计，学习的兴趣比较浓厚，学习效果比较好。②一些使用资源多，比较复杂的电路在普通实验箱无法实现的情况下，用可编程逻辑器件实现，节约了硬件成本和时间成本。

这种实验模式和实验方法虽说优点很突出，但还有许多待改进的地方：例如所进行的实验内容或者是传统的硬件实验，或者是在可编程逻辑器件上实现的EDA实验，基本没有硬件电路实验+EDA实验这样的实验内容，造成学生潜意识地把两者分隔开，而在实际应用中，我们常常需要实现传统硬件电路+FPGA/CPLD这样的电路形式，比如旧电路系统的改造、新电路系统的功能完善等。基于以上原因有必要从硬件形式、实验内容和实验进行方式上进行相应的改革。

为了加深对数字电路和EDA设计之间内在关系的理解，我们通过改革实验方法，用基本数字电路和可编程器件FPGA/CPLD共同来实现一个实验题目，例如计数器功能。具体思路如下：在数字电路实验箱上，利用NE555芯片和少量的电阻电容产生计数器所需要的脉冲信号，脉冲信号经过简单的限压限幅调理电路，作为FPGA最小系统的时钟输入信号，计数器的逻辑功能通过编程利用FPGA最小系统实现。通过这种新的实验方式，促进软硬件一体化的实验教学的深度融合，如图1所示。

图1 软硬件一体化实验教学改革示意图

2.4 优化实验体系结构和内容安排

考虑到每个学生的基础和兴趣差距较大，部分学生很早就对某方面的电子制作感兴趣，因此实验内容安排应有层次性。除了安排必做题、选做题外，鼓励学有余力的学生自行选题、自己制定设计方案。自拟方案经过教师审核，在实验室客观条件允许的情况下即可实施。这样可以激发这部分学生的设计主动性和创造性。例如在时序电路设计里，部分学生可能很早就了解和掌握了触发器原理和简易数字钟的设计，希望利用实验室的条件做其他感兴趣的内容，例如利用FPGA实现具用声光电等复杂功能的数字钟。针对这种情况，我们除了鼓励和引导外，还帮助他们解决一些具体困难如：外借其他实验室的仪器和器件，给予灵活的实验时间安排等。

2.5 改革考核方法，实现多种考核方式

因为“电子技术实验”单独设课、单独计算成绩，学生对实验成绩比较重视，所以考核的公正与否直接关系到学生学习的积极性和主动性。过去的考核主要是依据实验结果和数据，其次是实验报告，这种考核方式造成一部分学生为了成绩抄袭实验结果，这对一些独立认真做实验的学生来说很不公平。

对于每一单元电路实验，前期的验证性、简单设计性实验以教师指导为主、检查为辅，这样给学生一个相对宽松的实验环境，学生可以自由设计、自由搭建和实现电路，使学生能静下心来认真设计和操作。在单元电路实验后期，如果部分操作能力强、水平高的学生提前实现综合题目的电路功能，可以直接给成绩，对于其它学生，随机从实验题目中抽出部分内容，按照学生学号，多人多题，重新操作以此作为实验考评，通过这种方式可以充分调动学生的积极性，避免部分学生偷懒和抄袭。

另外以前学生每次做完实验都要上交一份实验报告，但据我们调查和同学们反映上的信息看，因为电子技术实验的特殊性，前期的验证性、简单设计性实验学生即使不做实验也能写出实验报告来，这对学生其实是很大的时间浪费。为此我们初步打算，对每一个单元实验，学生在最后交一份有实质内容的实验报告即可，同时简化实验报告的内容，让学生把宝贵的时间用在设计电路和实现电路上。

3 结语

本文针对“电子技术实验”单独设课后存在的问题，提出了系统化、层次化、模块化、专业化、软硬件一体化的改革思路。经过几年来的实验教学改革和实践，大大提高了学生实验的积极性和主动性，增强了学生的实践动手能力、知识应用能力以及创新能力。

[1] 薛松梅，李树雯. 以能力和素质为导向的考试改革探索与实践[J].哈尔滨:教育探索, 2009,30(8)：41～44.

[2] 汪红，李春密.大学物理实验教学的初步探索[J].哈尔滨:教育探索, 2012,251(5)：71-73.

[3 郭春华.对工程力学课程教学改革的几点思考[J].哈尔滨:教育探索，2013,260(2)：31-33

[4] 翟文权，李书旗．电子技术实验教学改革探索[J].北京：实验技术与管理，20l0，27(10)：139-141．

[5] 高文焕，张尊侨，徐振英等，电子技术实验[M]．北京：清华大学出版社，2004．

Some Thoughts on the Reform of Electronic Technology Experiment Teaching

CHEN Can, REN Xu-hu, LI Lin, LIU Fu-yu

(CollegeofInformationandControlEngineering，ChinaUniversityOfPetroleum(EastChina)，Qingdao266580，China)

Based on the problems that have occurred after the Electronics Technology Experiment was set as a separate course, this paper proposed this reform ideas noted as systematical and hierarchical, modular, as well as specialized integration of hardware and software. Meanwhile, it presents some advice on the experimental assessment and report writing, hoping to present some value on the other independent experimental courses.

electronic technology; experimental teaching; inspection way

2016-06-04;

2016-11-08

山东省重点教改项目“基于能力培养的电工电子学课程体系与教学模式的探索与实践”(2015Z025)；校级实验教改项目“以综合能力培养为导向的智能数字电路实验系统研制”(YJ-A201624)；校级实验教改项目“TRIZ 理论导向的《数字电子技术》4C/ID 研究性教学模式探索与实践”(YK201606) 第一作者：陈 璨(1978-)，男，硕士，实验师，主要从事智能信息处理，计算机测量与控制的实验教学，E-mail:upcll@163.com

G420

A

1008-0686(2017)03-0129-04