数字电子技术渐进式实验教学改革与实践
2021-12-09叶成彬
叶成彬
(广州城市理工学院 电气工程学院， 广东 广州 510800)
0 引言
数字电子技术是电气、电信、机械等工科专业的专业基础课程，其理论知识在工科专业中占有重要的基础地位，是一门理论联系实际非常紧密的课程[1]。该课程实验教学对培养学生的学习能力、实践能力及创新意识有着十分重要的作用[2]。
针对某校数字电子技术实验课程存在的问题，为提高实验教学质量，根据实际情况提出了一种渐进式实验教学改革方案，构建以培养学生独立自主学习能力、应用实践能力和创新能力的实验教学体系。引进Multisim14.0仿真软件，要求学生在实验前对相关实验电路进行建模和仿真，有助于学生对理论知识的理解和为实验课程中实验平台验证提供一定的动手实践基础能力[3]。教学方案实施过程中，实验教师严格要求学生按照实验预习要求文件做好课前预习，以保证学生预习质量，弹性合理调整实验课程各阶段时间长度，保证学生有分析问题、解决问题的时间。采取小组合作预习和共同实验、知识分享，促进学生之间的交流、培养学生团结合作精神[4]。
1 目前实验教学存在问题
1.1 实验前预习效果不佳
数字电子技术理论教学和实验教学分别由不同老师授课。实验预习报告要求学生在实验前完成，实验授课前交予老师检查。由于没有督促，没有明确的预习要求，很多学生都是临实验前匆匆完成预习报告，对实验目的、实验内容及实验操作一无所知[5]。
1.2 实验参与性差
目前实验以分组教学模式为主，小组共同完成实验任务，目的是培养学生的团队合作能力。但对于一些演示性实验和验证性实验，往往具有成熟、规范的操作流程，实验过程没有锻炼学生的团队合作能力，也没有做到个性化人人参与，分组实验模式反而让一部分参与度不高的学生的学习过程流于形式、无所收获[6]。
1.3 学习兴趣低下
因理论授课时间限制，任课老师无法对相关课外应用知识展开讲解，从而导致学生对所学知识应用场景严重缺失，不知学其所用。同样地,实验教学过程注重验证性操作及简单的数据记录，忽视了学生参与实验的目的，使学生无所适从不知为何学、学何用，跟随教学计划完成相应的课程听讲、做好作业、不犯错误，顺利完成学业即可。
1.4 实验成绩评分标准良莠不齐
实验成绩是学生学业成绩考核评级的重要组成部分之一，更是反映学生专业实践能力发展状况。目前作者负责的数字电子技术实验教学和实验报告评分工作，因同一门实验课程存在多个班级上课和多个学院多位老师授课，相互没有交集，实验授课和实验报告评分各有标准。因没有相对具体的评分指导性文件，有时仅凭实验教师个人撰写的考核标准确定实验成绩，难免或因缺乏科学性、完整性等有失偏颇。从而造成部分实验报告批阅成绩随意性较大，成绩差异往往没有实指，或实验成绩根本就不会纳入学生理论课程总评成绩[7]。
2 渐进式实验教学改革思路和方法
对数字电子技术实验教学改革目的是让学生掌握一般数字逻辑电路的特点，能够应用数字电路的理论和相关元器件进行电路设计，培养学生的动手和创新能力。学生对问题的认知,对一门课程的学习是一个由浅入深的过程。学生实验能力、创新能力和科学思维的提升是一个循序渐进的过程。一个科学合理的实验教学体系,对学生自主学习能力、实践能力和创新能力的培养将具有深远的意义[8]。
“自上而下”[9]“OBE”理念[6]“有限元”多元融合模式[10]等，皆与相关实验教学平台、课程内容、学生素质相匹配而定。某校以培养应用型人才为根本目标，结合学生综合素质、实验教学平台及实验教学定位，调研学习多所学校的实验教学改革思路和方法，制定以培养应用型人才为宗旨的渐进式实验教学改革思路。
本实验教学改革思路主要以验证型实验为辅、设计型实验为主、进而提升实验综合分析能力。此方案以课堂随机抽查方式检验学生是否在课外时间自主完成验证型实验，大大缩短其在课堂时间的分配比例，增加了设计型实验验证和实验综合分析教学时间。
2.1 明确实验预习要求及实验成绩评分标准
对学生实验报告的课前预习处做出相应的标注和提示，并在实验前一周通过班级学习委员传达实验预习报告预习要求和实验过程需遵守的纪律，比如：未按要求完成实验预习的学生不得参加当次实验课程;做完预习但上课迟到者扣除当次实验课程所涉及的预习报告成绩10分;做完预习且准时到达实验课室者不扣分。
明确评分标准：每个实验报告总分为100分，根据实验测试难易程度和考核学生综合能力实验项目进行分数划分，最后在课堂上与学生解释分数划分理由，让学生了解实验成绩构成细节，提高学生对实验课程重视程度。以数字电子技术实验21“简单组合逻辑电路的设计”为例，实验报告预习要求及分数划定如图1所示。
其中,图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)分别为实验21实验报告的第一、第二、第三、第四页，每一项实验内容均划分出明确的分数，以做到评分相对客观公正，同时让学生了解相关实验内容的重要性。而对需要在实验课前做好预习的实验内容做出相应的文字提醒，以督促学生正视实验课前预习。
(a) 实验报告第1页
(b) 实验报告第2页
(c) 实验报告第3页
(d) 实验报告第4页
课前预习和验证型实验只需学生按照预习要求完成即可，主要起到督促学生课前自主在线学习、使用Multisim14.0仿真软件对验证型实验进行仿真测试等，因此该环节分数占实验报告总分约30%的比例。
设计型实验要求学生对实验内容进行分析、计算、电路设计、仿真验证及动手实验验证等，涉及知识较广、难度较大、理论和实践衔接度较高，此环节对学生学习能力培养较为重要，因此该环节分数占实验报告总分约40%的比例。
课后习题及实验数据分析要求学生熟悉数字电子技术相关理论知识，了解实验过程所用是数字集成芯片具备的功能，掌握集成芯片应用设计能力，分析实验测试数据以验证相关理论设计，做出自身对实验过程及相关应用设计的想法。该环节分数占实验报告总分约30%的比例。
2.2 建立渐进式实验教学体系
2.2.1 夯实验证型实验基础能力
验证型实验是对专业理论知识进行验证和实践，以加深学生对基础知识的认知和理解，侧重对学生实验基本操作和技能培训。引进Multisim14.0仿真软件对简易逻辑芯片74LS00、74LS08等，进行仿真验证并记录相关测试数据，从而间接引导学生学习新知识、新工具。实验教师在Multisim14.0软件搭建好相关验证型实验电路仿真工程文件、编写仿真工程文件操作流程说明和实验报告预习要求等，通过学习委员和微信公众号向参与实验的学生传达。
在实验课程中教师随机抽查学生上台现场操作相关实验仿真文件进行运行仿真、测试数据及提问，以此督促学生做好课前预习和验证型实验仿真工作，提高学生对实验课前预习的重视程度。
2.2.2 培养设计型实验方案拟定及设计思维能力
设计型实验对学生灵活应用理论知识设计实验项目和方案，以帮助其理解和掌握专业知识，重点培养学生研究方法、思维能力和设计能力[11]。设计型实验需学生进行课前预习，其中涉及分析题目要求、绘制真值表、逻辑表达式、卡诺图、实验电路图等，并建议有能力的学生尽可能在Multisim14.0仿真软件上对实验电路图进行仿真验证，为课堂实验做好充分准备。
实验课程中教师依次讲解设计型实验所涉及的集成芯片用户手册、基本功能、题目要求、题意真值表、题意逻辑表达式、题意卡诺图、实验电路图、实验电路验证步骤等。然后以2个学生为一组，安装预习其设计的实验电路在实验平台上进行接线测试、观察实验现象、记录实验数据，实验教师对完成实验的小组进行核查，询问学生设计思维，了解学生的理论知识基础，从而培养学生团结协作的团队精神，间接督促每个学生积极参与小组预习。
2.2.3 提升实验过程综合分析能力
一般情况下，学生实验课后习题没有教师进行辅导，大部分学生应付性地在网上查找答案、互相抄袭，更有甚者实验报告只记录实验数据而已。为了实验课程能起到良好的效果，学生在课堂中完成设计型实验后，实验教师对本次实验数据进行核对、分析，串联本次实验过程对课后习题进行讲解，仿真演示本次实验部分集成芯片应用电路，描述实用意义。
为提高学生实验动手能力，实验教师以2-3个实验故障为例，分析故障原因、寻找故障点、解决故障点，从而在潜移默化中不仅培养了学生实验故障分析能力，还授予学生分析问题、解决问题的思维套路。
数字电路实验授课对象均为大一学生，此阶段学生知道该课程为专业基础课，却并不知道现在所学是否有所用处，因此引导学生自行制作应用实例电路、浏览电子类设计论坛、参加电子设计竞赛等尤为重要。
2.3 搭建基于微信公众号的实验教学资源
为给学生课前预习提供更多的知识点和便利性，提升渐进式教学体系效果，借助先进的信息技术建设数字化实验教学资源。根据相关实验内容和MOOC教学的特点，将一个实验内容拆解为多个独立的知识点，如74LS00、74LS08等数字逻辑集成芯片功能(Multisim14.0仿真和实验平台)验证、设计型项目要求及原理说明等，录制时长5-10分钟的教学短视频，连同实验预习要求、实验报告模板及相关拓展应用设计资料上传至微信公众号，以此打造移动式学习环境。
3 渐进式实验项目实例
以本校数字电子技术实验21“简单组合逻辑电路的设计”为例，说明验证型实验、设计型实验和综合分析的渐进式设置[12]。
3.1 验证型实验——74LS00、74LS04
数字逻辑集成芯片74LS00和74LS04分别为4组2输入端“与非”门、6组1输入端“非”门，在验证型实验中需要学生在Multisim14.0仿真软件中分别对两个集成芯片进行仿真测试并记录数据，仿真图分别如图2、图3所示。
图2 集成芯片74LS00仿真图
图3 集成芯片74LS04仿真图
因教学计划中没有单独安排课程教授学生Multisim14.0仿真软件的使用，实验课程中也不安排验证型实验在实验平台上进行验证，为了降低学生的实验预习门槛，提高学生学习的积极主动性，达到由浅入深的学习效果，加深学生的直观印象，我们将Multisim14.0基础使用说明和实验平台上的实验操作录制成简短的教学视频在微信公众号平台上进行共享。
3.2 设计型实验——数值比较器电路
实验题意——A、B皆为一位二进制数，L1、L2、L3为3个独立的指示灯。当A
根据题意,真值表如表1所示。
表1 数值比较器真值表
表达式如式(1)—式(3)。
(1)
(2)
(3)
以“非”门、“与非”门的形式绘制实验电路图，如图4所示。
图4 数值比较器实验电路图
设计型实验相对简易,验证型实验更为复杂，对学生的理论知识应用要求更全面，提升学生的设计思维，同时学生可以在Multisim14.0仿真软件上自行搭建实验电路进行仿真测试，为实验平台验证提供参考数据，间接加深学生对数字电路理论知识的理解。
3.3 综合分析
学生完成设计型实验之后，对数字逻辑“与非”门和“非”门集成芯片基本功能有了一定的认识，为加深学生对所学知识的理解，实验教师需要借助实验数据和课后习题以逆向思维讲解集成芯片的功能及意义。
为提高学生灵活应用设计的能力，通过一些现实的应用实例进行讲解、分析，如基于“与非”门的抢答器、触摸延迟灯、多谐振荡闪烁灯、方波发生器、裁判表决器等，同时讲解应用实例实验电路在Multisim14.0仿真软件中的搭建、仿真过程，且通过微信公众号等渠道将应用实例相关资料分享给学生。
为拓展学生课外学术科技知识，向学生介绍AltiumDesigner电路板绘制软件、电路板焊接学习方法、大学生创新创业训练项目、电子设计大赛等。展示应用实例在AltiumDesigner电路板绘制软件上所绘制的原理图、PCB图和制作出来的实验作品。介绍历年学生参加各类学术科技竞赛的作品和竞赛涉及知识点、应用能力要求、团队合作方法等，以此激励学生积极参加课外学术科技竞赛活动。
4 总结
根据本校应用型人才培养特点，结合学生综合素质、实验教学平台及实验教学定位等实际情况，建立渐进式教学体系，引进辅助工具、新型学习平台、丰富教学资源、细化学生管理，提高实验教学质量，开拓学生的应用视野，增加学生的主动性，培养学生创新和团结精神。
