数字电子技术实验教学改革与实践

张国玉

(南京工程学院 工业中心，江苏 南京 211100)

数字电子技术实验课程是电类专业的一门主要技术类基础实验课程，同时也是一门实践性很强的课程[1－2]。课程的主要任务是培养学生合理运用所学的理论知识，以科学的思维方式分析问题和解决问题的工程实践能力[3]。鉴于目前企业对人才创新实践能力的要求越来越高，学生能否扎实地掌握数字电子技术实验技能，具备自主学习和动手应用能力，对后续课程学习及职业规划将产生直接的影响。为此，南京工程学院针对实验教学存在的问题，如实验内容单一，教学方式不当，考核方法不合理等，采取了一系列相应的教学改革措施，并取得了明显的成效。

1 教学内容的改进

以往的教学内容主要参照学院教师团队自编的实验教材，以理论教学涉及的芯片应用电路设计为主，如使用74138、74151、74160芯片，主要起巩固理论教学知识的目的。但实验内容不能仅局限于对数字电子技术理论知识的认知与验证，还必须形成基础认知、初步设计、综合应用、研究创新等环节有机结合的实验教学模式[4]。学院针对实验教学中实验内容相对单一，实验选题偏少，不同实验选题不能有效建立联系，创新型实验比例偏少等问题，主要从层次性、实用性和多样性这3个方面进行了改进。

1.1 层次性

数字电子技术实验主要分为验证型、设计型和综合型实验。验证型实验主要是了解实验基本仪器使用和实验方法，简单测试集成芯片逻辑功能。设计型实验主要是根据设计要求，独立完成一个功能电路的搭建和调试。综合型实验包含了数字电子技术理论课程的多个知识点，重在提高学生学以致用的能力和创新思维水平。遵循学生对知识认知循序渐进的原则，以由简到繁，由易到难，由单元电路到系统综合设计为思路，学院在增加设计型和综合型实验比重基础上，仍保留验证型实验。目前实验课程中验证型、设计型和综合型实验比例为 2∶5∶3。

另外，授课时还需注意学生知识接受能力和动手实践能力的差异性。一部分学生理论基础知识薄弱，数字电子技术这门课程学完后对集成芯片引脚图、功能表了解甚微，更不要说设计和调试实际功能电路。实验操作时，也经常出现各种问题，如芯片忘记供电等，实验完成进度缓慢。还有部分学生理论基础知识扎实，对实验课程感兴趣，电路设计已在课程预习时完成，课堂上实验操作很快完成，剩余大量时间不能有效利用。为了兼顾这两类学生，考虑到他们的差异性，教学内容应有一定的扩展性，或设计一些选做的实验内容，为那些学有余力的学生提供一定的能力发展空间[5]。

1.2 实用性

为了激发学生的探究欲望，以及让学生感受到所学的理论知识是切实有用的，设计综合型选题应尽量选取与实际生产生活密切相关的，如八人抢答器、循环彩灯控制、数字时钟等。这样一方面较熟悉的实际问题有利于学生将其抽象为逻辑问题，另一方面真正做到了学有所用、学以致用，有效提高学生学习的热情。另外，实验的过程和结果最好能产生有形的结果，如LED显示、数码管显示等。这样学生完成实验时，看到正确显示的实验现象会有成就感，慢慢地对这门课程产生兴趣。

1.3 多样性

由于本院班级多，实验教师相对较少，实验设备和实验空间有限，相同专业不同班级学生上课时间不能统一。一个班级先做实验，另一个班级后做实验，如果实验内容完全一致，很难杜绝实验数据相互参考的现象，而且大大降低了后面班级学生学习的积极性，实验效果较差。为了从根本上解决这个问题，学院教师设计了多种不同的实验教学内容，确保不同班级教学内容不完全一致，在有效解决实验数据相互参考问题的同时，也丰富了教学资源。在此基础上，学院教师还设计了多种创新型、综合型项目，供学生自主选择训练，一般以小组团队合作方式完成。

2 教学方式的转变

传统的数字电子技术实验教学采用灌输式教学，以教师为主体，学生处于被动学习的地位[6]。整个教学过程通常如下:首先，教师从实验目的、实验原理、实验内容及步骤、实验注意事项等多方面进行讲解，详细至极；然后，学生根据教师讲解，对照实验指导书上操作步骤，按部就班地完成电路搭建和实验结果的验证。甚至有些学生电路原理还没搞清楚，就直接按照指导老师给出的电路图，对应芯片引脚进行电路搭建。

这种教学方式虽然避免了很多可能出现问题的地方，学生能快速完成实验，得到实验数据，但不利于其分析问题和解决问题能力的培养。在整个实验课程中很难有自己的想法，创造性和积极性得不到有效激发，大大降低了学生主动参与实验的兴趣。因此，学院从3个方面对教学方式进行了改进。

2.1 学生为主体，教师为主导

为了提高学生自主学习积极性，培养学生实践创新能力，激发其科学思维方法，学院将教学模式转变为 “以学生为主体，教师为主导”。具体是指实验任务只给出设计要求和原理，不再给出详细的电路设计图，让学生自己思考如何进行电路设计，让其在实验过程中发现问题，并独自分析和解决问题。教师在实验过程中只起引导性作用，但实验完成后，要注意启发学生多思考和总结[7]，比如全加器电路可以用小规模集成芯片74LS86和 74LS00实现，也可利用 74LS138和74LS20实现，从这两种电路设计的区别总结出中小规模集成芯片设计组合逻辑电路所存在的优缺点。

2.2 注重电路调试和故障排查

在电路调试检测时经常会发现电路产生故障，实验现象与设计需求不符，不能按预定的逻辑功能正常工作。多数学生会选择把所有连线拔掉，重新再来，重连后还是不成功就认为实验箱有问题或者找教师帮忙解决。为提高学生排查故障和解决问题的能力，第一次实验课时教师就应向学生讲清电路调试和故障排查的重要性，以及电路故障可能出现的原因及排查方法，如用数字万用表测试导线通断等。实验过程中学生出错时，应耐心引导学生去排查可能出现的问题，而不是教师替学生完成故障排查。发现问题、解决问题的过程才是学生学习进步的过程。

2.3 注重课前预习

改革后的教学模式要求学生在没有详细电路设计图的情况下自行完成电路设计与搭建调试。如果学生课前预习不充分，一方面不熟悉实验目的、原理、内容以及注意事项等，实验带有很大的盲目性，电路设计困难，也预计不到可能出现的问题；另一方面在课堂上才进行电路设计，动手操作时间相对减少，从而使课堂效率降低。为此，学院教师在实验课前预先布置下节课实验内容，要求学生充分预习并写预习报告，主要是完成电路设计。对实验有基本认知后，操作时才能做到有的放矢，提高课堂效率。

3 教学手段的更新

传统的 “板书”授课、“言传身教”以及采用多媒体课件等教学手段有诸多弊端，如上课效率低下，无法激发学生学习兴趣，限制学生学习的主观能动性。为了更好地开展实验教学，激发学生的学习兴趣，加强师生间的交流互动，学院将网上教学平台、开放实验室等新思维与传统教学手段有机结合，充分利用各种教学手段的优点，形成多元化的实验教学手段。实践表明，运用这些教学手段能达到预期教学目标。

3.1 引入EDA教学

以往，实验教学学生操作时一般均通过在实验箱上手工连线完成电路搭建，然后进行电路测试，观察输入和输出，验证实验结果。如果实验结果不符合设计要求，需要变换电路并重新调试，直至输出结果与设计要求一致。当电路非常复杂时，学生多次重复实验操作会降低实验效率，损耗器材的同时，也容易产生厌烦情绪，丧失学习热情。

EDA技术是高校实验课程改革的必然趋势，利用该技术可以实现硬件设计的软件化，有效提高了实验效率[8]。对于验证型实验，学生只需利用EDA软件对电路进行测试和仿真，即可达到预期的教学效果。对于设计型和综合型实验，要求学生先仿真设计电路，确定设计无误后，再在实验箱上进行电路搭建，这样可以减少因设计错误导致的器材损耗并有效提高实验效率[9]。

3.2 高效利用多媒体

实验教学过程中经常需要对一些复杂的电路进行演示说明，传统教学一般是教师选用一个实验箱，学生围在其周围进行观摩学习。由于场地的限制，一般只有少数前排学生能看清楚演示过程，后面的学生只能再向这些学生请教。学院教师目前利用摄像技术，课前记录下实验演示过程，上课时运用多媒体设备进行播放，保证所有学生均能看到演示，自行操作时有个参考，在很大程度上提升了上课水平和课堂效率[10]。另外，通过给学生播放一些案例性教学视频，使教学情景立体化和多样化，可以激发学生思考，加深对教学内容的理解。

3.3 建立网上教学平台

为方便学生自主学习，学院教学团队建立了网上教学平台，提供多媒体课件、视频教学案例及实验指导书等教学资源的下载。基于教学内容的改革，实验教材也进行了相应的修改和完善，增加了综合设计型实验比例的同时，去除了具体的实验步骤。每个实验内容只给出具体的功能要求，不限定学生使用何种芯片、设计何种电路，有利于学生创新思维的培养。另外，学生可在网上针对重点、难点进行提问，教师及时做出解答，师生间的互动交流可变学生被动学习为主动学习，进而培养学生学习兴趣。同时，教师也可以依据学生提出的疑问和建议及时调整授课内容及方向，有利于提高教学效果。

3.4 开放实验室

开放实验室是指实验室提供可能用到的仪器设备和电子元件，学生根据学习兴趣在网上教学平台选择合适的实验项目，由学生个人或团队协作在业余时间来实验室完成实验任务。在整个过程中，教师并不会过多干预，由学生自行查阅文献，了解实验原理，通过合作与交流，不断完成电路设计，形成探究能力。如此，不仅提高了学生创新实践技能和查阅文献能力，还能充分发挥实验室现有资源，提高仪器设备利用率。目前学院开放实验室项目主要有智能交通灯控制系统、数字频率计、智能竞赛抢答器设计、多路防盗报警电路设计等。

4 教学考核机制的建立

实验考核方式是否合理和公正直接关系到每个学生对实验课程的重视程度，以往以实验报告为主、考勤为辅的考核方式存在明显的缺陷，不能准确衡量学生课程学习后的成效。为此，学院建立了一套行之有效的考核制度，在教学考核机制中增加考试环节，并取缔纸质实验报告。

4.1 增加考试环节

为了充分调动学生学习积极性，了解及提高实验教学效果，保证教学改革顺利进行，学院增加了实验考试环节。实验考卷由教师根据教学内容拟定，一套试卷对应一个实验项目，主要考查学生对仪器的熟练使用，对数字电子技术理论知识的掌握程度，动手实践能力以及实验数据测量、分析能力。试卷主要分为实验步骤、实验结果与分析、实验操作和思考题4个部分，其中实验操作由教师现场验收打分，占卷面成绩的35%。另外，为多方位考查学生对不同实验项目的了解，学院一般每年命题四套试卷，由学生抽签决定考题，教师可根据答题情况适时调整实验难度。

4.2 取缔纸质实验报告

以往学生上交的纸质实验报告大多抄写了大量实验目的、实验原理等文字性内容，而电路图设计及数据分析处理部分一带而过，本末倒置。为了督促学生预习，合理利用时间及真正体现出实验报告的作用，学院教师提出取缔纸质实验报告，提交电子实验报告的方案。学生可直接复制实验教材中实验目的、实验原理等内容，而把时间精力用于电路预先设计、数据分析处理等方面。另外，实验课前所有学生均需向实验老师发送预习报告，实验教师对报告中电路设计图进行检查，作为预习考核指标的同时，也可在课上重点关注电路设计错误的同学。

4.3 实验成绩给定方法

实验成绩由平时成绩和期末卷面成绩综合评定，本着 “轻结果、重过程”的原则[11]，平时成绩占60%，期末卷面成绩占40%。平时成绩具体考核评价标准和分配方法如表1所示[12]。

表1 实验平时成绩考核评价标准和权重分配

5 结束语

通过本次教学改革与实践，发现学生学习热情高涨，自主学习能力和创新实践能力都得到了很大的提升。最为明显的是对理论知识的掌握更为深刻，经了解，教改后数字电子技术理论课及格率提高，卷面中相关简单应用电路设计基本都能完成。但在数字电子技术实验教学过程中，也还有很多工作需要改进，如针对不同专业的学生增设更多新颖的实验内容，加大实验室管理力度，包括维修常用仪器和提供实验芯片，为学生提供良好的教学环境等。实验教学改革是一项长期的工程，需要每一位教师勇于探索和实践，这样才能不断提高教学质量，为培养具有创新思维能力和工程实践能力的高素质人才做出应有的贡献。

[1]郭仿军.数字电子技术实验课程的改革与探索[J].重庆高教研究，2009，28(2):58－60.

[2]苏玉萍.《数字电子技术》实验教学改革探析[J].实验科学与技术，2013，11(3):81－83.

[3]郑兆兆，高静.《数字电子技术》实验教学改革探讨[J].实验科学与技术，2013，11(2):103－106.

[4]王波，张岩，王美玲，等.“模拟电子技术实验”课程的改革[J].实验室研究与探索，2013，32(4):140－143.

[5]佘新平，余士求，余厚全.《数字电子技术》课程实验教学改革探索[J].实验科学与技术，2012，10(5):67－69.

[6]王革思.“模拟电子技术”课程开放式实验教学平台的研究与实践[J].实验技术与管理，2014，31(8):170－173.

[7]姜行东.综合设计性实验在电子技术实验中的探索[J].数字技术与应用，2014(3):229－230.

[8]王波，张岩，王美玲.“数字电子技术实验”课程的改革[J].实验室研究与探索，2012，31(9):121－123.

[9]刘小艳，金平.“电子电路与系统基础实验”教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2014，33(6):197－199.

[10]晏湧.模拟电子技术实验教学改革的探索与实践[J].实验技术与管理，2012，29(4):288－290.

[11]李杰，周喜.“数字电子技术”实验课程教学改革与探索[J].物联网技术，2015，5(10):104－105.

[12]马晓虹，尹向雷.数字电子技术实验教学的改革与探索[J].实验技术与管理，2012，29(10):172－174.