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摘要:
数字电子技术实验课程是电气类、自动化类、信息类等相关专业的专业基础课，主要培养学生实际动手解决问题和分析问题的能力。从传统数字电子技术实验课程的弊端，提出新的改革方法，增加了综合设计性实验，采用自顶向下分模块设计的方法，就如何提高学生的动手能力和工程实践能力方面进行了讨论。实践表明，数字电子技术实验课程教学改革取得了明显效果。
关键词:
数字电子技术实验课程;综合设计性实验;动手能力;工程
数字电子技术课程是电气类、自动化类、信息类等相关专业必修的专业基础课，在整个大学阶段的学习中，起着承上启下的作用，是基础课和专业课之间的桥梁。数字电子技术课程旨在培养学生发现问题和解决问题的能力，而这种能力，最终体现在动手能力的提高。对在校大学生而言，培养学生实践中发现问题和解决问题的能力，最初就来源于实验课程。所以，数字电子技术实验课程责任重大。中北大学电工电子实验教学中心属于国家级实验教学中心。一直以来，电工电子实验教学中心在校院两级领导的支持下，无论在软件还是硬件设施建设方面都取得了巨大的发展。实验教学目标逐渐从“基础实践教学”到“工程创新能力培养”层次。实验环节分为基础性实验、提高性实验、综合设计性实验三个阶段，不断提高学生的工程实践能力和创新能力，培养动手能力强、创新能力强、适应经济社会发展的高质量工程人才［1］。
1创建新型数字电子技术实验课程教学体系
数字电子技术课程一般设置在本科二年级第二学期或者本科三年级第一学期，同学期学习数字电子技术实验课程。这个阶段，学生并没有接触专业课，数字电子技术是基础课到专业课的一个转变，所以这一阶段学生的学习，需要循序渐进式地从理论到工程性进行，不能一蹴而就。目前开设的电子技术实验课，很多为验证实验，在实验箱上按照教师的指令去操作，观察实验现象。这一类实验，可以很好地让学生对所学理论知识有一个感性的认识，但它同时也对培养学生的工程实践能力存在不足，所以需要提高性实验，让学生很好地认识到所学理论知识的应用性。而改革之后新加入的数字系统设计为综合设计性实验，能培养学生工程实践能力。改革前实验学时及属性，表2为改革后的实验学时及属性。改革后的实验教学内容，压缩了验证性实验和提高性实验的学时，增加了数字系统设计。实验教学的改革，能培养学生掌握复杂数字系统的设计方法和自顶向下分层次模块化的设计方法，巩固对组合逻辑和时序逻辑电路设计方法的学习，提高综合运用理论知识解决实际问题的能力，提高创新能力，但并没有减弱验证性实验和提高性实验的作用。
1．1验证性实验
数字电子技术实验课目的在于培养学生在电子设计和制作方面的能力，良好的基本功是必要的。验证性实验的内容以基本门电路和触发器为基础，培养学生扎实的基本功。这一类型的实验，教导学生认识常用元器件，电路连接方法、装配方法，基本电子电路工具的使用以及相关电子仪器的使用。具体来说，改革后数字电子技术实验课程的验证性实验包括:TTL门电路、集电极开路门和三态门逻辑功能及参数测试、触发器实验。这些实验用4学时完成，所占实验学时较短，只是让学生认识一些集成芯片、会使用多种常用集成门电路和掌握若干基本电路的设计和装调，之后可以进行提高性实验。
1．2提高性实验
提高性实验是在学生认识一些基本门电路和掌握一定的电子技术知识之后，由任课教师指定大部分元器件，提供大部分电路图，从最基本最典型的单元电路的设计开始，逐步加深和扩展。提高性实验包括:SSI和MSI组合逻辑电路设计与实现、时序逻辑电路实验、计数器实验(EDA实验)、555定时器应用实验、A/D与D/A转换器实验。这一类型实验在12学时完成，为总学时一半，所占实验学时较长。在这一阶段，由教师指定一些具有综合设计性实验的题目，指导学生对题目进行分析研究。以交通信号灯控制系统设计为例，学生通过观察交通信号灯的工作过程，思考一些问题:交通信号灯的一个周期包含哪几种状态?交通信号灯从一个状态到另一个状态，转换的条件是什么?以现有的知识，设计一个实现方案。然后把综合设计性实验分解在各个提高性实验中完成。对提高性实验而言，如同堆积木一样，先对它分解，先单独设计装调与实验研究一个个模块，而这一个个模块，就是提高性实验的内容。如交通信号控制系统设计则是由指示灯显示模块、初始值控制模块、系统初始化模块、状态计数器模块、时间计数器模块、秒脉冲模块等组成，这些内容分散在组合逻辑电路实验、时序逻辑电路实验、计数器实验和555应用等实验中。利用计算机进行电子线路辅助设计可以缩短设计周期，提高设计的可靠性、经济型。在这个阶段，让学生学会一种数子电子技术的EDA工具软件，对电路进行设计、调试，为综合设计性实验的学习打下基础［2］。
1．3综合设计性实验
综合性实验共8学时，所占实验学时较重，这个实验阶段，把学生3人分为一个小组，以小组的形式进行。综合性实验分为三个阶段进行，第一阶段建立系统概念，在实验课初期进行;第二阶段设计各个模块，在提高性实验中进行;第三阶段构建系统，在提高性实验完成后进行。在综合设计性实验中，各个模块的实现，已经分散在提高性实验中进行，电路基本功能的实现，只需要将前面做过的一些功能电路，进行组合与装调，直到实现较为复杂的小型电子线路系统，这为一种方法。学生也可以根据自身情况，采用PLD器件实现。接着教师指导学生分析现有系统结构的优缺点，提出改进方法，尝试其他设计方法，或增加新功能。最后撰写报告，进行答辩。在综合设计性实验阶段，教师为指导者，把自主权交给学生。在此过程中，学生可以初步掌握中等规模电子线路设计方法，摸索探索性学习方法，并培养团队合作精神和良好的沟通协调能力［3］。为配合学生实验，实验教学中心在这个阶段实行全方位开放，配备专职实验指导教师。综合设计性实验内容鼓励学生也可自选有研究价值的科研题目，还可以根据教师的科研项目，利用实验设备在实验室进行实验，使学生得到更多工程实际锻炼，有效提升了实验课的价值。
2改革考核方式
对数字电子技术实验的考核也进行了改革，验证性实验共10分，提高性实验共50分，数字系统设计共40分。各个实验都必须写预习报告和实验报告，预习报告包括设计方案、硬件原理图、软件流程图，实验报告包括调试中遇到的问题、解决方案以及心得体会等［4－5］。验证性实验和提高性实验的分数中，预习和操作各占一半。数字系统设计实验，要注重培养学生的动手能力、工程实践能力、运用理论知识解决实际问题的能力、团队合作能力和总结表达能力等。数字系统设计共40分，包含内容比较多，分数分配如表5所示。以交通信号灯控制系统的设计为例，电路搭建共15分，其中各模块测试成功每模块1分，共8分，系统整体测试成功7分。设计创新性共10分，其中按整体电路验收顺序，独立设计为5分，前1～2名且没有雷同为5分，2～5名为4分，6～13名为3分，其它1分;拓展设计或新增功能共5分，按照可行性、使用性、经济性酌情给分。系统电路整体仿真共5分，若部分完成仿真，酌情给分。实验报告视书写规范与完整程度给分，共5分。最后教师听取学生答辩，包括对课题设计的说明、课题前景的调查和论证，以及设计电路的功能实际情况，共5分。考核时鼓励学生发表独到的见解，做出性能独特的实验作品，这种考核方法能够尽可能全面的考察学生的各项能力，督促学生有意识地加强工程实践和创新能力的锻炼［6］。
3实践效果
改革后的数字电子技术实验课程，与以往常规实验课程相比较，优势主要在于对学生工程能力和创新能力的培养。实践表明，通过对复杂数字系统自顶向下分层次模块化、循序渐进由易到难的实验过程，使学生建立起相关的知识体系，在发现实际问题和解决实际问题的过程中，学会对工程问题的研究学习，锻炼学生协作技能，体验工程实际问题的解决方法，为以后的工作打下扎实的基础，这是传统实验课程所不具备的［7－8］。改革后的实验课程在教学实践中，验证性实验和提高性实验一般学生都能在教师指导下实现。综合设计性实验中，以交通信号灯控制系统作为综合设计性题目为例，采用中小规模集成电路实现的学生占总数量50%左右，其他学生采用PLD实现。综合设计性实验最后能完全实现的学生在60%左右。综合设计性实验包含了数字电子技术课程的大部分内容，在实现的过程中，学生又熟练掌握了EDA设计，对于培养学生成为适应电子技术发展的卓越工程人才具有重要意义［9－10］。
4结语
综上所述，数字电子技术实验课程的改革与实践，改变了传统教学中教师指导学生严格按照实验指导书的操作步骤，一步步进行操作实现的教学方法，让学生在掌握基本门电路和集成触发器等常用元器件的基础上，先对综合设计性实验进行分析，建立系统概念，接着设计各个模块，提高学生对电路的认识，最后构建系统，分组合作进行，实现系统电路，撰写实验报告，进行答辩。整个实验过程，循序渐进、由易到难、自顶向下分模块进行，让学生学会对复杂数字系统分析，调动学生的学习兴趣，使学生专业基础扎实、洞察力敏锐、自学能力强及培养团队合作能力，提升了数字电子技术实验课程的价值，为学生工程能力的培养打下良好的基础。
作者：薛英娟 单位：中北大学信息与通信工程学院
参考文献:
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