數字電路綜合性設計性實驗教學的探討

楊世洲

摘 要:數字電路是一門應用性很強的課程,隨著社會的發展和課程的改革,應加強綜合性設計性實驗,同時也應該在實驗的安排上進行針對學時、內容、實驗手段和考核辦法的改革,提高學生的實驗能力、思維能力、創新能力,將理論知識轉化為應用技能,培養學生的的工程意識、創新意識、經濟意識和科技意識。

關鍵詞:綜合性 設計性 學時 內容 手段 考核

數字電路是一門實踐性很強的基礎性課程,知識更新換代的速度很快,因此該課程設置的科學與否直接影響到理工科學生培養目標的實現程度。對學生實驗能力、及思維能力和創新能力的培養都會起到非常重要的作用。隨著社會對技術型、應用型人材需求的日益增長,畢業生的就業形勢日趨嚴峻,就需要高校培養出具有創新精神和實踐能力的人才,而實驗教學是培養學生科技素質的重要環節,是培養創新能力的重要途徑。在數字電路實驗教學中,綜合性、設計性實驗是理論和實際的接口通道,是將科學技術和理論知識轉化為創新能力的一次鍛煉機會,是培養工程意識、創新意識、經濟意識、科技意識的重要途徑,根據我校多年的教學經驗,應在以下方面進行改革與探討。

一、開放實驗室,開設相應的選修課增加實驗學時

近幾年由于理論學時的壓縮,相應的實驗內容及學時不得不減少,所以受時間的限制,無法安排更多的設計性和綜合性實驗,使學生無法得到數字電路設計的系統訓練。我院電子本科專業數字電子技術綜合實驗課為20學時,因此,我們在制訂教學計劃時,只能安排兩個綜合性、設計性實驗,并且只能選擇組合邏輯電路、數據選擇器、譯碼器等中小規模電路,完成表決器、電子表等簡單和不太復雜的電路來設計。并且由于近幾年擴招,每學期做電子實驗的學生有一千多人,電子實驗室的實驗每天安排的都非常緊張,經常有一部分學生無法按時完成實驗內容,因此應開放實驗室或開設電子訓練方面的選修課來增加實驗課時,達到實驗與訓練的目的。

二、豐富綜合性、設計性實驗內容

在學時少時,我們在教學計劃中,只能選簡單的內容,例如原來我們要求的設計性實驗有用組合邏輯電路設計一個密碼鎖,由于學時少我們要求學生從門電路、數據選擇器、138譯碼器等器件中選一種來設計,寫出設計任務書后在實驗臺上完成。過去我們所做的綜合性設計性實驗都是一些簡單的電路,給定了用什么元件,完成什么任務,只是讓學生掌握設計性實驗完成的基本過程,隨著科學技術的日益發展和課程的改革,對綜合性、設計性實驗應有如下的改革。

1.用不同的元器件來完成同一任務

目的是通過比較不同的途經與方法,分析優缺點,理解各個電路的性質內涵,例如5人表決器可分別選用基本門電路、數據選擇器、譯碼器等來完成。

2.規定設計題目和指標要求,自行設計電路和選擇元器件

數字電路設計實驗中,主要采用了兩種做法,一是要求同學們根據實驗室提供的集成電路組件進行設計,這樣能促進學生積極思考,想辦法利用現有的條件完成某一設計要求,當然這樣做有時可能限制了同學們的創造性,作為彌補,鼓勵學生“紙上談兵”對同一設計要求設計出各種方案。二是用某一組件完成多種電路設計。

3.電子工藝的完成

電子電路從圖紙到產品,需要進行組裝和調試,是把理論付諸于實踐的過程,也是學生操作技能鍛煉的具體體現,過去電路的組裝都在實驗臺上插接電路,條件許可可以在電路板上進行焊接安裝,培養學生在印刷電路板上對整體電路的認識能力,學習電子產品生產制作中的準備工藝、焊接工藝、裝配工藝、調試工藝和質量控制方面的知識。

4.參數測試調整

要求學生熟悉各個儀器的使用方法,在調整測量中,認真觀察測試,對于有懷疑的現象要重點記錄,對于觀測到的數據、現象、波形等進行定量分析,培養學生嚴謹的科學態度和實事求是的作風。

三、改進實驗教學手段

在豐富了實驗教學內容,增加了綜合性、設計性實驗后,用傳統的在實驗箱或實驗臺進行實驗由于連接線多,插接線常有接觸不良的現象且費時,這對排除故障造成很大的麻煩,在規定的學時內,有的同學觀察不到實驗現象,完不成實驗任務,并且元件損耗大,實驗開設成本太高,因此對于綜合性、設計性的實驗項目應開展EDA實驗手段。

應用EDA技術是以計算機為工具,設計者在EDA軟件平臺上用硬件描述語言VHDL完成設計元件,然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化筒、分割、綜合、優化、布局、布線和仿真,直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程、下載等工作,EDA技術的出現極大地提高了電子電路設計效率和可行性,減輕了設計者的勞動強度,總的來說有如下的好處。

1.學生不一定在規定的時間來實驗室做實驗,可在宿舍機房等地進行遠程登錄,根據自己的學習計劃來完成電路的設計、仿真、參數的記錄,如進行直流分析、交流分析、瞬態分析、傅立葉分析等。

2.評估元器件參數變化(包括故障)對電路造成的影響,分析一些交流測量的電路特性,如進行噪聲(NOISE)、頻譜(FOURIER)、器件靈敏度(SENSITIVITY)、溫度特性(TEMPERATURE)分析等。

3.元件損耗少、成本低。

4.功能巨大元件庫內多種元器件可虛擬無數種電路,其內置儀器亦能讀出各種電壓、波形、電流等各種參數,還可設置短路、斷路等故障,提高學習質量。

5.效率高、節約時間。

四、改進實驗考核辦法,提高實驗教學質量

學生實驗考核的方法不能片面強調實驗速度,否則學生在實驗過程中著急完成實驗,急功近利現象比較嚴重,也不能只強調實驗報告不注重實驗過程,結果學生抄寫實驗數據、實驗報告現象嚴重,因此,改進規范學生實驗考核辦法是提高學生實驗質量的關鍵。在多年的實驗教學實踐中我們逐步形成了一個相對完整的考核辦法,該辦法的主要指標有實驗紀律和實驗態度、實驗預習、實驗過程、實驗結果、實驗報告等,具體評定如下:(1)實驗預習和實驗紀律占總成績的10%。主要根據學生有無遲到、早退、無故曠課現象,實驗預習報告是否認真、實驗中有無大聲喧嘩,是否愛護實驗器材等方面評定。(2)實驗過程和結果占總成績的70%。具體可根據實驗內賓、創造性、獨立完成情況來評定。(3)實驗報告占總成績的20%。主要根據學生實驗報告有無錯誤,參數計算是否正確,實驗過程實驗數據和結果記錄是否完整客觀,故障分析是否合理,實驗問題回答是否正確等評定。

參考文獻

[1]黃永定.電子線路實驗與課程設計[M].北京:電子工業出版社,2005

[2]王勇.改進綜合性設計性實驗方法提高學生實驗能力[J].實驗技術與管理,2006,10:600-601