数字电子技术实验项目化教学改革与实践

朱建华，董桂丽

(浙江科技学院 创新创业学院，浙江杭州 310023)

数字电子技术实验是数字电子技术的重要组成部分，课程涉及各种门电路、时序逻辑器件、AD/DA 转换电路相关芯片的功能及使用，相关芯片的应用设计，电路逻辑功能的验证等，涉及知识点多，系统性和逻辑性强。通过实验，巩固了数字电子技术的理论知识；学生根据实验方案构建实验系统，提高了学生动手能力；由于数电实验线路相对复杂，实验过程难免出现故障，学生结合故障现象分析故障原因并排除故障，学生的逻辑分析能力、解决实际的能力将得到锻炼；通过撰写实验报告，对实验结果进行分析、解释与评价，并获得合理有效结论，将进一步提高学生撰写报告的能力。通过该课程的教学，将提高学生多方面的综合能力，为后续解决工程复杂问题打下坚实的基础[1]。因此，课程在提高学生的技能、分析和解决实际问题的能力等方面，具有理论课堂教学所无法替代的作用[2]。

1 目前数电实验教学的基本情况

1.1 存在的主要问题

传统的数电实验教学以操作为主，一般根据实验教材中相关实验项目的原理图搭建实验电路，然后验证其逻辑功能，因此，学生虽然熟悉了设备的使用方法、 电路的连接和测试方法以及简单的电路故障排除方法，但自主创新设计方面的内容较少，无法通过实验掌握工程技能和方法[3]。近几年，我们进行了一些改革，一方面，将综合性实验及设计性实验提高到80%以上。另一方面，在教学方法和手段上也进行了一些调整，虽取得了一定的成绩，但仍存在一些问题，主要表现在以下几个方面：

（1）实验预习问题：准备不足，部分同学实验前未进行预习，对将要进行的实验不够了解。同时，相关预习资料也比较缺乏，没有与实验内容相关的工程案例、芯片参数功能及应用范例等知识[4]。

（2）设计性实验问题：设计性实验相对简单，多是一些简单的单元逻辑电路的设计，器件一般是指定的，学生得到的训练不够全面。例如，在设计多谐振荡器电路时，电路是给定的，学生只要根据教师给定的输出频率和占空比确定相关元器件的参数即可。因此，学生较少有机会参与电路设计，也不了解单元实验电路在数字系统的作用，这种实验方法不利于培养学生创新能力和工程实践能力。

（3）数字系统的构建问题：实验单元电路涉及的知识点相对独立的，在构建数字系统时其具体应用未在实验中体现，各单元电路在构成系统时的匹配问题也未在实验体现。数字电子技术实验知识点涉及常用电子元件、门电路、触发器、计数器、译码器、AD/DA 转换器等器件，涉及设备及仪器仪表的使用，单元电路涵盖了数字电子技术的关键知识点，具有知识点多且相对独立的特点，不易形成数字系统的概念。

（4）实验报告的质量一般。目前，我校涉及数电实验的专业已有电气工程及自动化、自动化等进行了工程教育专业认证，其毕业要求指标点对实验报告有具体明确的要求，现学生撰写的实验报告主要内容包括实验电路及原理、步骤、数据及波形记录等，实验数据解释分析，实验结论推断等方面的内容较少涉及，和工程教育专业认证毕业要求指标点的要求还有较大的差距。

1.2 工程教育专业认证对教学改革的要求

近年来，为了不断提升专业水平和培养质量，加强工程实践教育，全面提升人才培养质量[5]，我校多个专业开展并陆续完成了工程教育专业认证工作。专业认证对课程提出了要达成的教学目标：（1）能够根据研究方案构建实验系统，开展实验研究，安全地获得有效数据，并能够对理论数据和实验数据进行分析与解释；（2）能够利用数据处理等手段，解释实验及实验结果的差异性，获得合理有效结论。数字电子技术实验按照专业认证基于成果导向的教育模式[6]，围绕要达成的教学目标，对数电实验教学的内容、方法和手段进行了改革。

2 内容改革

2.1 改革思路

依据工程教育专业认证毕业要求指标点提出的要求及实验教学中存在的问题，我们对数电实验的教学内容进行了改革，以一个小型数字系统为主线，改革了实验内容。首先选择数字电子技术中一些关键知识点构成一个完整的具有实用功能的小型数字系统，以该系统为主线开展项目化实验教学，帮助学生建立数字系统的概念，培养学生解决实际工程问题的能力、分析问题的能力[4]。实验中，既有单元电路的设计、安装和验证，又有整个数字系统的设计调试，进一步提高了学生参加实验的兴趣。

项目化教学是通过共同实施一个完整的项目工作而进行的教学活动，实验教学内容需体现一个完整的项目，因此，要设计一个包含数字电子技术课程关键知识点并具有实用功能的小型数字系统作为一个完整的项目。项目应包含组合逻辑电路、译码器、触发器、计数器、 多谐振荡电路及AD/DA 转换电路等关键知识点。教学设计时，按相关知识点将这个小型数字系统拆分为若干个单元电路，每个单元电路为一个实验项目，所有的实验项目完成后，再将这些单元电路进行组合联调，最后重新还原为原来的小型数字系统。

2.2 教学内容设计

在教学内容设计时，参考了数字电子技术理论教程、实验教程及其他资料，决定选择3.5 位直流数字电压表设计制作这一小型数字系统作为实验主体内容，将其拆分为若干个实电路单元，分别是：AD/DA 转换电路、译码器、多谐振荡器、触发器、计数器、组合逻辑电路及数字芯片功能及参数测试。其中，数字芯片功能及参数测试为基础项目，和小型数字系统3.5 位直流数字电压表无直接关系，其他6 个实验均和小型数字系统有关，但最后组合联调时，由于课时限制，一部分电路将选择已集成单元电路功能的芯片。

教学内容确定后，按培养计划中数电实验学时数（32 学时） 分为8 次实验课，每次实验课的内容依次为：实验1，TTL 集成逻辑门的逻辑功能与参数测试（基础实验）；实验2，组合逻辑电路的设计与测试(单元电路1)；实验3，触发器逻辑功能测试及其应用(单元电路2)；实验4，计数器及其功能电路设计(单元电路3) ；实验5，单稳态触发器和多谐振荡器(单元电路4) ；实验6，译码器及其应用(单元电路5) ；实验7，A/D 和D/A电路(单元电路6)；实验8，3.5 位数字表设计安装与调试(小型数字系统组合调试)。实验教学始终围绕小型数字系统设计制作进行，贯穿整个实验过程。

3 教学方法改革

单元电路实验分为三个层次[7]，第一层是基础实验，第二层是单元电路设计，第三层是系统安装调试。实验教学中，不同层次的实验项目有不同的教学方法和教学要求。

基础实验，要求学生熟悉设备及仪器仪表，了解芯片及数字电路逻辑功能的测试方法，通过实验验证相关数字电路设计的正确性。内容包括，测量数字芯片及数字电路的逻辑功能、静态参数、传输特性及传输延迟特性，通过测量了解在构成数字系统时应考虑的功耗、兼容性及延迟特性等多方面的因素，初步培养学生的工程意识。

单元电路设计，要求学生能够根据要求设计实验电路并验证其正确性，例如，组合逻辑电路设计，要求设计半加器、全加器和数值比较器。在这个实验中，首先由教师讲解组合逻辑电路一般设计思路，然后举例设计一组合逻辑电路，最后给出实验要求，学生根据设计要求将其转为真值表，然后根据真值表写出逻辑表达式并进行化简，最后根据最简逻辑表达式画出逻辑图，这样理论设计部分就完成了，接着再通过实验验证其正确性。

系统安装调试，是课程的最后一个实验。实验中，将之前已经完成的各单元电路进行组合，逐一安装并连接相关单元电路，完成整体调试，实现3.5 位数字表的所有功能。

4 教学手段改革

要求学生在实验前对相关内容进行预习，包括：与实验内容相关的芯片的型号、功能以及对应的知识点。学生预习时，采用网络教学与线下查阅资料相结合的方式。线上设有数字电子技术在线课程、仿真实验平台及相关教学资料等资源，在线课程有实验课程教学视频，仿真实验平台可以进行仿真实验，学院网站设有实验预习平台，收集了数字系统设计案例等教学资料，为学生预习提供一定的资源。

工程教育专业认证毕业要求指标点对实验报告部分提出了较高的要求，要求学生能正确采集实验数据，运用理论知识分析和解释实验数据，并得出合理有效的结论。改革后，对实验数据分析和解释部分提出了明确要求，并将这部分内容作为实验报告评分的重要依据。

在新修订的教学大纲和评分标准中，充分考虑工程教育专业认证毕业要求指标点的要求，改革了考核方法和评分标准。重视预习，将课程课外学习时间明确写入大纲，规定每次实验课要有2 学时课外学习时间，预习报告成绩纳入考核，预习成绩的比例占10%以上。实验表现考核中，主要观察和记录学生在实验过程中的操作能力和实验项目的完成情况。

5 结语

在我校电类相关专业工程教育专业认证的背景下，创新创业学院电工电子基地对数电实验课程进行了改革。改革以小型数字系统为主线，开展了项目化实验教学。目前，改革措施已在电气国际等专业实施，并取得良好的效果，学生解决实际工程问题的能力和撰写实验报告的能力有了一定程度的提高，课程在达成度评价中取得了较好的成绩，学生评教成绩也相对较高。当然，教学改革中仍存在一些问题，例如，教学内容尚有不完善之处，需进一步优化，此外，课外学习的监督和评价等都有改进的空间。