“双实一虚”数电实验运行与人才培养模式

曹 文，姜书艳，王银玲，刘春梅，李 林，陈 艳

（1. 西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010；2. 电子科技大学 自动化工程学院，四川 成都 611731；3. 西南科技大学 工程训练国家级实验教学示范中心，四川 绵阳 621010；4. 南京农业大学 工学院，江苏 南京 210095）

作为重要的专业基础课，数字电子技术的实践特征非常明显，依托数电实验这一关键载体，有助于学生在略显枯燥的理论学习中产生学习兴趣与求知欲。

1 传统数电实验的特征

1.1 验证性实验内容为主

传统数电实验内容多为验证性，如逻辑门功能测试、译码结果显示、触发器功能验证等，少量设计性实验也停留在3 人表决、变模计数等较低难度的内容层面，曾经出现大纲中的综合实验内容因受学时、场地、设备等因素制约而被精简的现象。

少量的验证性实验能够帮助学生了解硬件数字电路系统的结构与形态，但占比过大的验证性实验则容易让学生先于实验操作而获取实验结果及结论，进而按照先入为主的思维定势展开实验操作，无法实现实验初衷，难以涌现创新实验思路。验证性实验内容的技术难度普遍不高，也容易导致学生养成轻视数电实验的不良风气。

1.2 数电实验台庞大、成本高、维修繁琐

传统数电实验平台从早期的面包板起步，然后演变为体积较大、价格较贵的实验台或实验箱。集成芯片（IC）插座被固定至实验台面板，引脚间距2.54 mm，由位置相互独立的单点式香蕉插孔将IC 插座的紧凑引脚分散引出后，间距普遍超过10 mm，如图1 所示。

图1 香蕉插孔分散引出IC 插座的引脚

元器件引脚分散接出的传统数电实验台结构便于学生在实验过程中实施电气连线，但也增加了故障隐患，集中表现为以下几个方面：

（1）IC 插座的簧片失去弹性或簧片表层氧化后可能引发接触不良。

（2）实验台内部的香蕉插孔与IC 插座引脚之间连线脱落或实验台面PCB 焊盘氧化后发生断路。

（3）实验台内置的供电电源或信号源损坏、输入状态设置开关损坏等。

上述故障均需拆掉实验台面板，才能进行针对性的维修，工作量较大且过程相对繁琐。

1.3 实验操作模式机械、连线工作量繁重枯燥

在数电实验台上进行实验操作时，学生往往仅需参照指导书给出的实验步骤，通过香蕉插头导线与IC对应节点进行逻辑（电气）连接，完成的实验作品与真实电子产品大相径庭：

（1）电气节点之间的连线冗长，与印制电路板系统（PCBA）经蚀刻而成的电气线条相去甚远。

（2）长导线之间的寄生电容，LED 及数码管等显示器件过低的工作频率等因素严重制约了数字电路实验系统的工作频率。

（3）受IC 插座、香蕉插头/插孔等接插件的限制，基本的阻容元器件、微小封装的SMT 元件容易发生不可靠连接而降低实验成功率。

（4）受香蕉插座布局松散的影响，实验台面板能够容纳的IC 插座数量有限；其次，IC 插座的相对位置固定、且导线长度也基本固定，留给学生布局规划、自主调整电路拓扑的操作空间有限，同时也限制了较大规模综合性实验项目的开展。

实验完成后，展示给学生的实验作品更多地表现为高低不一且凌乱的一堆连线，难以展示真实的应用场景，容易使学生形成“数电实验电路只能进行功能的模拟验证”“数字电路没有实用价值”等错觉。而单靠连线即可得到实验结果，还容易束缚学生的创新意识和自由发挥的空间。

1.4 课内实验的成功率不高

学生在每次数电实验课中需要完成每根电气连线的核对与插接，低水平的重复工作较多、耗时偏长。实验作品的连线过多、过乱、过于复杂，逻辑功能发生故障的概率将会明显提高。如果缺乏基本的测试流程与技巧培训，当电路功能未达到预定实验目标时，学生一般难以从凌乱的接插线中及时、准确地聚焦故障点、把握故障原因。

传统实验模式下，实验项目成功率δ受绝缘电线内部开路率O、板载数字芯片损坏率I、接插点错位率C、芯片引脚与IC 插座簧片之间接触不良率L等因素的协同制约：

其中，I与实验台通电计数值相关，每学期开学阶段实验课的I值较低，但在学期后半段将显著增加；C随学生个体差异而波动较大，女生普遍优于男生；C与实验课的开设时间段也具有一定的相关性，如安排在下午第一讲的实验课C值相对略高；O与L分别与实验耗材及实验台质量相关，O值约为0.5%～2%，相对较大。

总体来看，数电实验的单次成功率δ明显低于电路、模电、单片机等基础课程实验。

1.5 实验室工作负荷重、实验教师压力大

传统的数电实验均在专门实验室内开设。受实验室建制规模、场地、指导教师人数等因素制约，实验台的台套数多为35～60 当量，满足数电实验已是捉襟见肘，而不少高校的电子技术实验室还需承担非电专业的电工电子实验课程。

由于采购单价较高，数电实验台多为固定资产，升级换代周期较慢；其次，数电实验台均为非标设备，可靠性总体偏低，设备的维护、维修工程量大且耗时长，运维成本较高。

基于上述原因，传统数电实验室无一例外地处于超负荷运行状态，数电实验台的故障率持续居高不下，有效开工率不足。

受课内实验成功率δ的影响，2 学时课内实验结束时，或多或少会出现无法顺利完成的情况，无疑会给实验室和实验教师造成额外的工作负担。

2 开展“双实一虚”数电实验改革探索

电子实验实践教学团队通过虚心学习兄弟院校的数电实验改革思路，并结合团队十多年来课程运行经验总结，初步摸索并形成一套适合自身特色的数电实验运行模式：双实一虚、虚实结合、以虚促实、深度融合。近年来经不同专业班级中的多轮测试证明，在人才培养质量、协同创新、实验管理等方面取得了较好的阶段性改革成效。

“双实”包含实验、实训2 种实践教学形态、“一虚”指虚拟仿真。通过如图2 所示的相关知识技能的交叉互补，实现“实验电路设计与仿真”“实验电路装配焊接与调试”“实验操作及参数测试”深度有机融合，充实并拓展了传统数电实验课程体系。

图2 数电“双实一虚”全新实验流程

“双实一虚”数电实验课程的改革内容包括但并不局限于下列内容：

（1）全面建设立体、优质、开放的线上线下数电实验辅助教学资源（如实验教学课件、辅助实验操作视频等），便于组织学生开展课前的实验预习，同时带动自主（助）实验、综合性实验、创新性设计实验的开展，“打通最后一公里”。

（2）保留传统数电实验的部分基础操作，设计开发与工程教育专业认证结合紧密的全新实验案例和口袋实验室等新型硬件实验平台，将部分实验操作转移到实验室外完成，“以空间换时间”。

（3）向传统数电实验操作新增电子焊接及装配、模块单元互换、故障分析及排查、系统功能调试等实训操作内容，实现“耗时1+1＜2、成效1+1＞2”。

（4）稳步增添专业针对性更强、智能化程度更高的新型专用仪器，向传统数电实验注入数字集成芯片检测、波形时序观测与分析、实验过程实时在线监测与提示、实验结果网络提交与云存储等功能，鼓励团队教师联合企业通过产学合作项目，积极参与新型智能数电实验教学系统的研发，边实践、边丰富、边完善。

2.1 实验前开展自助预习、电路仿真及设计

每次数电实验课之前，课程团队会发布实验任务与参考框图，组织学生在课前借助电路仿真软件设计（design）或优化调整（optimization）进行初步的实验电路拓扑，并确定实验方案所需的IC 型号及电路结构。指导教师将提供与实验相关的背景介绍、设计思路引导讲解、实验操作辅助视频及教学课件等资源，将课前实验预习落到实处，形成开放自助、协同学习的实验新格局。

以方波时钟源的设计为例，555 振荡器的无参数参考电路、输出频率f0与占空比Q的计算公式、波形对应关系均提供给学生，但具体的f0与Q则需要学生根据实验任务自行计算、仿真后选取。

实验电路的仿真设计、参数选择及优化过程与平行开设的数电理论课程全面接轨，为理论教学形成强力的互补支撑，以带动全方位的课程改革。

2.2 实验项目精简升级，突出工程背景

传统数电实验次数约为4～8 次，实验耗时差异较大，从10 多分钟到100 多分钟不等。由于功能测试及验证等形式枯燥的实验占比较高，对学生缺乏吸引力。总体而言，实验次数偏多、课内有效实验时长偏短、实验强度分布不均。

“双实一虚”的实验内容全面匹配理论课程及教材，更加注重知识的融合创新；实验方案更多体现知识性、灵活性、趣味性和新颖性，难易程度兼顾大多数学生的知识与技能水平。

（1）摒弃纯验证、枯燥、落伍的实验内容，将实验次数压缩至3～5 次，每次课的实验学时则根据实验内容有所调整，从1 个学时到3 个学时不等。“线上+线下、课外+课内”同步开展实验，降低实验强度，提升实验效率。

（2）整合遴选后的基础实验知识点，编排为创新型、综合型实验内容，突出实验方案的展示度与工程背景，“案例为王”，强调启发式教学，例如，将喜闻乐见的骰子投掷过程抽象为电子骰子实验方案，囊括理论课中的计数器、译码器、触发器、单稳态、多谐振荡器等核心知识点。贴近日常生活的实验方案容易唤起学生的新鲜感与满足感，参与实验过程的积极性与主动性明显提升。

（3）探索层次递进型实验方案的开展，以表决器实验为例，从基于拨动开关的组合逻辑式3 人表决方案起步，升级为基于自复位轻触按钮的3 人或多人表决的时序逻辑实验方案，然后将同意/反对2 种输入表决状态拓展为同意/弃权/反对3 种输入状态，稳步提升实验难度与知识内涵。上述实验方案的背景基本相同，但涉及的课程知识点逐步递增，能够有效激发学生的好奇心与求知欲。

（4）突出实验方案的工程性，实验内容及形式均反映出真实的产品应用及工程背景，数电实验板的外形也更加接近电子产品中的PCBA。

精简升级后的数电实验方案主要来源于国内外成熟电子产品或教师科研项目，经缩编、抽象而成，难易程度适中，层次性较好；再通过功能组合、参数优化、工程背景融入等环节后，逐步形成风格清新、内涵丰富、易于推广的特色，使学生在实验前有兴趣、实验中有乐趣、实验后有想法。

2.3 研制模块式口袋实验板，调整数电实验操作重心

国内多数高校的数电实验平台均来自外购，外形统一、实验内容接近，多局限为对理论正确性的验证，缺乏对学生创新能力的引导，不利于综合性、设计性实验项目的开展；而且与各个学校实际执行的实验课程大纲、理论课程教学内容之间存在一定脱节。由于不会刻意强调与实验内容相关的工程背景，对学生的实验设计能力、调试及测试能力培养均有所不足，容易孳生“欺软怕硬”的现象，造成事实上的工程实践能力缺失。

应该看到，用于单片机、FPGA 等课程的口袋实验板目前已广为流行，为学生快速、深入地掌握编程与调试技术、技巧构成了强力支撑。但针对数电课程的口袋式实验器材目前尚属凤毛麟角。

团队结合优化后的全新实验案例，自主开发与试验了多种类型的口袋式数电实验板，以针对不同的专业及学时数。口袋式数电实验板的电路PCB 为长方形，单边最大尺寸一般不超过150 mm，便于携带；口袋式实验板中的电气布线与真实电子产品内部PCB 完全一致。

完成预习后的学生到实验中心学生助管处领取口袋实验室套件，然后参照自己的设计与仿真结果，在寝室或自习室中搭建实验电路。本阶段涉及的主要实验任务为元器件定位、模块选择、接插件连接、元器件焊接与装配等内容。

（1）熟能生巧。在传统的数电实验运行模式下，学生在间隔若干天之后才能回到实验室重新接触实验平台，短暂的适应过程在所难免。“双实一虚”实验模式下，学生可以在课外频繁接触到口袋式实验板，消除了对实验平台的生疏感，能够尽快参与实验过程。

（2）调整数电实验的操作重心。口袋式实验板的电气连接不再沿用传统数电实验台中的香蕉插头/插座，转而采用电子产品中更常见的100 mil 间距的XH2.54、KF2510 等小尺寸防反插多位接插件；将一部分技术含量低、容易接错或插反的单线电气连接转换为总线方式连接或防呆接插组件插接，既提高了实验操作效率也消除了插接过程中的偶然性人为错误，从根本上调整、变革了传统数电实验的操作重心，把学生从简单枯燥的电气连线过程中解放出来，降低操作强度，留出更多时间来观察实验现象的“为什么”、研究实验“怎么做”、思考实验与测试方案的改进。

（3）模块式实验单元。传统数电实验台的硬件结构及元器件参数相对固化，而口袋式实验板则采用易于互换的模块式单元结构。性能类似但存在细微差异的功能单元通过接插件接入实验板的同一工作点位后，将直接影响最终的实验运行结果。例如，在电子骰子实验方案中，计数器芯片可选择同步置数的74HC161 与异步置数的74HC163 两种接口一致的功能单元。学生在实验过程中通过观察实时运行状态或逻辑时序（波形），即可体会到具体差异。

（4）成本低廉。完成实验后的数电口袋实验板及部分可插拔元器件、模块经过检测后，可实现重复利用，有效降低单次实验成本。口袋式实验板的PCB 批量制作单价仅1 元左右，低廉的价格通过低值易耗品的渠道即可进行采购，更为重要的是，灵活、廉价的口袋实验板不受严格的实验室固定资产管理限制，实验方案可灵活地根据当前技术热点或工程认证的专业导向进行针对性的调整或改造升级。

2.4 新增工程训练与实训环节

为适应“双实一虚”的数电实验运行模式，教学团队在认真梳理传统数电实验操作内容的基础上，提出实验与实训并重的改革思路：将贴近企业生产及工程实际的元器件及导线插装、电子焊接、电路故障排查、系统功能调试等原本属于工程技能训练的实训内容融入数电实验的多个环节。

对不适合在实验板中插接的元器件，学生需要以焊接方式进行电气连接。向实验板设计并添加图3 所示的工艺点：焊盘与电气线条间应连而未连的断点（breakpoint）、电气回路中的可选（optional）连接点、冗余（redundant）单元、缺陷或故障（faulty）元器件等，着力拓展数电实验内容的广度。

图3 实验板的工艺调试点

可选连接点的结构为实验电路带来不同的信号通道；冗余单元则依托封装一致、功能分化的模块或元器件实现；线路断点及故障元器件增加了实验结果的不确定性。这些工艺结构的介入，可引导学生观察到实验过程中形式各异的异常现象以及与正确实验结果的差异，然后主动思考、分析、判断故障原因及问题所在，接着定位并排除故障，逐步实现预定实验功能，强化学生分析现象、解决实际问题的能力，增加实验对学生的训练项目，消除传统数电实验电路因结构固化而带来的操作定势。

如果没有经过认真的实验预习与实训调试，应付性的操作难以取得正确的实验结果。学生对实验所包含的未知因素充满好奇与敬畏，参与实验的态度、认真程度均明显改变。实训环节介入数电实验课程后，通过故障查找、分析、排除环节，能够培养学生综合的电路测试与硬件故障排查能力。

2.5 实验室测试与实验结果检查、答疑

在正常的实验课时间，学生回归实验室并完成实验功能测试、申请实验结果检查、答疑、实验总结及思考等传统实验环节。

“双实一虚”实验模式下，考虑到实验方案的工程背景，除沿用部分LED、数码管进行逻辑状态指示，更多地鼓励、引导学生使用专用仪器设备测试数字电路系统的逻辑功能，让整个实验过程更加接近企业生产与研发的标准流程：基于虚拟仪器的逻辑分析仪或带有逻分探头的数字示波器（用于多路数字通道的波形观测）、字发生器（Word Generator，用于多路时钟输出或初态设定）、IC 测试仪（判断TTL/CMOS 集成芯片是否损坏），帮助养成学生良好的测试习惯及规范。

2.6 创新并落实虚拟仿真技术在数电实验中的应用

“双实一虚”模式全面提升和强化了虚拟仿真技术在实验方案设计、创新思路引导上的比例和地位，同时为常规的电路仿真结果赋予了双重内涵：玩具式逻辑状态的直观效果展示及面向数据及逻辑时序的严谨分析。将虚拟仿真引入数电实验的多数高校大量采用数码管、蜂鸣器、开关等直观的目标器件进行初态设置及结果展示，对于吸引学生参与实验帮助很大。但辩证来看，如果缺乏认真务实的波形观测与分析，容易将数字电路仿真与传统的数电实验操作简单等同。鉴于此，教学团队鼓励学生在实验仿真环节广泛运用软件中的逻辑分析仪、字发生器（Word Generator）、波形观察窗等虚拟仪器及工具记录实验过程的状态变化，同时引导学生分析实验现象及内在原因，找出实验方案中的错误与不足，除了知道实验结果“是什么”，更需领会实验过程的“为什么”[15]。

仿真在数电实验中的地位及作用毋庸置疑，但指导教师也会反复提醒学生：单纯或过分依赖虚拟仿真软件，并不能全面解决真实实验过程中可能遇到的各种问题。实验方案的优劣及正确与否，真实的硬件电路能够更加全面、客观地佐证。从仿真结果到硬件实物之间只有经过科学客观的转换，才能实现二者的无缝对接。

3 结语

当前，国内多数高校普遍压缩了本科阶段的总学分，“双实一虚”的数电实验改革探索较好地顺应了这一趋势。学生在经历了实验次数缩减、实验强度调整、实验内涵进一步丰富的体验后，在实验课程结束时，人才培养目标丝毫没有降低，还能取得明显的工程实践能力提升、知识体系巩固，逐步消除电专业本科生理论与实践脱节的普遍现象。