“電子技術實驗”教學改革的幾點思考

陳 璨， 任旭虎， 李 林， 劉復玉

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院， 山東 青島 266580)

“電子技術實驗”教學改革的幾點思考

陳 璨， 任旭虎， 李 林， 劉復玉

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院， 山東 青島 266580)

本文針對高?！半娮蛹夹g實驗”單獨設課后存在的知識系統化薄弱、與后繼專業課缺乏有效的銜接、教學內容軟硬件一體化融合度不足等問題，提出了系統化、層次化、模塊化、專業化、軟硬件一體化的改革思路，同時對實驗的考核和實驗報告的撰寫提出了建議，希望對其它獨立設課的實驗教學具有一定的參考價值。

電子技術；實驗教學；考核方式

0 引言

隨著集成電路規模的飛速發展，電子技術在各個領域不斷滲透。作為電子技術實踐教學的基礎，國內外許多高校針對電子技術實驗進行了深入的研究與探索，同時也開展了相應的改革和調整[1]。針對我校當前“電子技術實驗”教學的現狀和獨立設課后暴露出的問題，結合電子技術器件、電子技術設計方法及工具等方面的發展，我們從實驗內容、實驗教學方式、實驗手段和考核方式等方面對“電子技術實驗”教學進行改革探索，努力提高學生的綜合創新能力[2]。

1 實驗教學現狀及改革必要性

1.1 實驗內容系統化薄弱

我校2006年開始將“電子技術實驗”獨立設課，但是長期以來該課程還是沿襲傳統的模式進行，實驗效果較差，其表現為：

(1)雖然形式上已經從理論課中獨立出來，但僅僅是形式上的獨立，沒有根據實驗課特點自成體系，內容安排、實驗進度、知識點學習上沒有自己的特點，仍是理論課的附庸。

(2)各個實驗相對孤立，之間沒有太多的銜接，造成學生的知識體系混亂。當學生設計復雜題目時，往往感到很茫然，無從下手，感覺學的知識用不上，不會用。

(3)實驗內容和進度的安排方式比較單一，無論是什么專業，也無論是普通班還是拔尖卓越班，開設的實驗都差不多，專業特點不明顯。

(4)針對每個專業，實驗內容安排上沒考慮與后繼課程的銜接，學生學習比較盲目，目的性不明確。

1.2 軟硬件一體化的實驗缺乏融合度

以“電子技術實驗”(數字電路部分)為例，內容大體上可以分為實際操作的硬件電路實驗和上機操作的EDA軟件實驗。傳統的實驗進行方式是先進行軟件仿真，然后進行實際操作，兩者基本上沒有任何交叉，這樣造成學生從概念上把兩者孤立起來，認為軟件只是為了仿真和驗證，沒有真正認識到兩者之間的聯系[3]。

1.3 實驗內容沒有體現學生個性差異

受課時和時間的限制，現在的實驗課內容安排基本上是一個班做一個實驗，選題上沒有體現學生的個性差異，因此沒有完全調動學生的積極性和激發學生的主動性、創造性，影響了實驗效果。

1.4 考核方式需要優化和完善

現有的考核方式偏重于實驗結果和實驗報告，對實驗過程考核的較少，造成了學生追求速度和結果，而忽略了做實驗的真正目的。另外對實驗報告的撰寫和評價的方法也要根據實際情況做進一步的完善[4]。

2 “電子技術實驗”教學改革方案

針對“電子技術實驗”上述存在的問題，在對其它兄弟院校做了充分的調研后，結合我校的實際情況，我們提出了“模塊化、層次化”的實驗教學改革思路，提出了以能力培養為總目標，以內容結構調整為手段，完善“電子技術實驗”教學體系，實現學生創新能力和實踐能力的不斷提高。此項教學改革不應單純是某一方面的改革，而應該從時間安排、實驗內容設置、教學方法和考核模式等方面全面展開，下面以“電子技術實驗”(數字部分)為例進行詳述。

2.1 調整實驗內容結構，形成模塊化體系

按照教學大綱安排，數字電路的實驗安排應包含以下內容：基本門電路邏輯功能測試、組合邏輯電路設計、數據選擇器與譯碼器的應用、集成觸發器的功能測試、計數譯碼與顯示、半導體存儲器和可編程邏輯器件、脈沖信號的產生與整形等。長期以來，這些實驗內容只是讓學生做一些支離破碎的、缺乏聯系的實驗，不能讓學生通過實驗掌握分析一個(大型)電路系統的方法。這些實驗大都以中小規模電路為主，大規模數字電路實驗較少，在實驗安排上也很少考慮各個實驗相互之間的銜接與綜合，以至于學生缺少大型數字電路實驗的訓練機會，難以培養出學生綜合設計電路的能力。這種實驗課程構架已經落后于當代對學生科學素質、實驗技能和創新能力培養的要求。

基于此我們經過充分的調研，提出了模塊化的實驗教學模式。該教學模式是著眼于實驗項目之間的聯系和整體性要求，對傳統數字電路實驗項目進行整理和分類，精選出由幾個密切相關，層層遞進的分項目組成的、形成系列的若干實驗項目。這些實驗項目均是覆蓋知識面廣、綜合性強、具有代表性的系列化實驗[5]。例如按照學生認知規律和能力要求，把實驗內容整合為基本門電路邏輯功能測試、組合邏輯電路設計(即原來的組合邏輯電路設計、數據選擇器與譯碼器的應用的內容)、時序邏輯電路設計(即原來的集成觸發器的功能測試、計數譯碼與顯示的內容)、半導體存儲器和可編程邏輯器件、脈沖信號的產生與整形五個模塊。

以改革后的時序邏輯電路為例，通過對實驗項目進行整理和重新分類，時序邏輯電路共包含如下子項目：

(1) 集成觸發器功能測試及應用；

(2)觸發器構成的計數器；

(3)集成計數器構成任意進制計數計；

(4)數字鐘電路的設計與制作。

時序邏輯電路實驗還涉及如下知識點：

(1) 熟悉基本R-S觸發器的組成和工作原理；

(2)掌握觸發器、D觸發器、J-K觸發器的邏輯功能和使用方法；

(3)掌握時序電路的分析方法；

(4)能用集成觸發器組成同步或異步計數器；

(5)用集成計數器構成任意進制計數器；

(6)能分析和設計數字鐘電路，會制作和調試數字鐘電路。

從以上例子可以看出，隨著實驗課程的推進，實驗由簡到繁，由小規模到中規模再到大規模，最后再將這些子項目綜合起來設計成一個完整的、符合要求的整體電路。實踐證明，這樣的教學方式由淺入深、由簡到繁、層層遞進，符合學生的認知規律，不僅培養了學生有步驟、有節奏的設計能力，而且由于實驗項目涵蓋知識面廣泛，內容前后聯系性強，有利于學生掌握完整的知識體系。

2.2 形成與后繼課程銜接的教學體系

我院每年有4個專業15個自然班都需要進行數字電路實驗，說明這門專業基礎的數字電路課程是很重要的，但是在后繼專業課程的學習中，我們發現學生對數字電路相關知識的理解不深不透，運用存在嚴重脫節現象。究其原因，我們認為傳統的數字電路實驗安排內容單一，沒有考慮專業的特點，所有班級都做同樣的內容，致使重點不突出，撕裂了數字電路與本專業的聯系，同后面的課程銜接不好，甚至對后續課程的學習造成了障礙。為此我們根據專業的特點和后繼課程的需要，對實驗內容和實驗重點做了調整，爭取在實踐環節上幫助學生完成整個知識體系結構的建立，使學生對數字系統和后繼課程之間有綜合性的整體認識。例如對于電子專業的學生來說，學習了“電子技術”課程后，學生應該重點理解半導體器件和放大電路的工作原理，掌握數字處理與運算的基本原理，注重數字電路基礎知識的拓展與深化，會利用集成數字電路芯片設計出功能較為簡單的邏輯電路，并掌握寄存器、存儲器等計算機中必須使用的器件的工作原理。這樣，為后續的“計算機組成原理”、“微機原理與接口技術”等專業課程提供理論與實踐的基礎。

2.3 促進軟硬件一體化實驗教學的深度融合

在這方面，我校把數字電路、EDA設計根據專業的不同進行相應的融合和調整，相應的實驗內容和實驗形式也做了較大的改動：①對于基礎的門電路組合邏輯實驗，先進行基礎的硬件實驗，通過在實驗箱上選擇相應的芯片進行連線、實現一定的邏輯功能，借以鞏固和檢驗理論知識。然后通過EDA設計軟件(QUARTUS II 9.0)，用軟件的方法做同樣的內容，借以熟悉軟件的使用方法和相應的編程語法。②對于復雜的門電路組合邏輯實驗以及時序邏輯電路，用EDA設計軟件進行邏輯功能的仿真和時序功能的仿真，在驗證無誤的情況下，再用數字電路實驗箱實現。③對于因芯片資源有限，數字電路實驗箱無法實現的組合邏輯和時序邏輯電路，首先用EDA設計軟件進行邏輯功能的仿真和時序功能的仿真，在驗證無誤的情況下，通過計算機下載到可編程邏輯器件(如FPGA 、CPLD)中，借以驗證設計的正確與否。這種實驗教學方法有較多的優點：①學生通過傳統器件和可編程邏輯器件的比較設計，學習的興趣比較濃厚，學習效果比較好。②一些使用資源多，比較復雜的電路在普通實驗箱無法實現的情況下，用可編程邏輯器件實現，節約了硬件成本和時間成本。

這種實驗模式和實驗方法雖說優點很突出，但還有許多待改進的地方：例如所進行的實驗內容或者是傳統的硬件實驗，或者是在可編程邏輯器件上實現的EDA實驗，基本沒有硬件電路實驗+EDA實驗這樣的實驗內容，造成學生潛意識地把兩者分隔開，而在實際應用中，我們常常需要實現傳統硬件電路+FPGA/CPLD這樣的電路形式，比如舊電路系統的改造、新電路系統的功能完善等?；谝陨显蛴斜匾獜挠布问?、實驗內容和實驗進行方式上進行相應的改革。

為了加深對數字電路和EDA設計之間內在關系的理解，我們通過改革實驗方法，用基本數字電路和可編程器件FPGA/CPLD共同來實現一個實驗題目，例如計數器功能。具體思路如下：在數字電路實驗箱上，利用NE555芯片和少量的電阻電容產生計數器所需要的脈沖信號，脈沖信號經過簡單的限壓限幅調理電路，作為FPGA最小系統的時鐘輸入信號，計數器的邏輯功能通過編程利用FPGA最小系統實現。通過這種新的實驗方式，促進軟硬件一體化的實驗教學的深度融合，如圖1所示。

圖1 軟硬件一體化實驗教學改革示意圖

2.4 優化實驗體系結構和內容安排

考慮到每個學生的基礎和興趣差距較大，部分學生很早就對某方面的電子制作感興趣，因此實驗內容安排應有層次性。除了安排必做題、選做題外，鼓勵學有余力的學生自行選題、自己制定設計方案。自擬方案經過教師審核，在實驗室客觀條件允許的情況下即可實施。這樣可以激發這部分學生的設計主動性和創造性。例如在時序電路設計里，部分學生可能很早就了解和掌握了觸發器原理和簡易數字鐘的設計，希望利用實驗室的條件做其他感興趣的內容，例如利用FPGA實現具用聲光電等復雜功能的數字鐘。針對這種情況，我們除了鼓勵和引導外，還幫助他們解決一些具體困難如：外借其他實驗室的儀器和器件，給予靈活的實驗時間安排等。

2.5 改革考核方法，實現多種考核方式

因為“電子技術實驗”單獨設課、單獨計算成績，學生對實驗成績比較重視，所以考核的公正與否直接關系到學生學習的積極性和主動性。過去的考核主要是依據實驗結果和數據，其次是實驗報告，這種考核方式造成一部分學生為了成績抄襲實驗結果，這對一些獨立認真做實驗的學生來說很不公平。

對于每一單元電路實驗，前期的驗證性、簡單設計性實驗以教師指導為主、檢查為輔，這樣給學生一個相對寬松的實驗環境，學生可以自由設計、自由搭建和實現電路，使學生能靜下心來認真設計和操作。在單元電路實驗后期，如果部分操作能力強、水平高的學生提前實現綜合題目的電路功能，可以直接給成績，對于其它學生，隨機從實驗題目中抽出部分內容，按照學生學號，多人多題，重新操作以此作為實驗考評，通過這種方式可以充分調動學生的積極性，避免部分學生偷懶和抄襲。

另外以前學生每次做完實驗都要上交一份實驗報告，但據我們調查和同學們反映上的信息看，因為電子技術實驗的特殊性，前期的驗證性、簡單設計性實驗學生即使不做實驗也能寫出實驗報告來，這對學生其實是很大的時間浪費。為此我們初步打算，對每一個單元實驗，學生在最后交一份有實質內容的實驗報告即可，同時簡化實驗報告的內容，讓學生把寶貴的時間用在設計電路和實現電路上。

3 結語

本文針對“電子技術實驗”單獨設課后存在的問題，提出了系統化、層次化、模塊化、專業化、軟硬件一體化的改革思路。經過幾年來的實驗教學改革和實踐，大大提高了學生實驗的積極性和主動性，增強了學生的實踐動手能力、知識應用能力以及創新能力。

[1] 薛松梅，李樹雯. 以能力和素質為導向的考試改革探索與實踐[J].哈爾濱:教育探索, 2009,30(8)：41～44.

[2] 汪紅，李春密.大學物理實驗教學的初步探索[J].哈爾濱:教育探索, 2012,251(5)：71-73.

[3 郭春華.對工程力學課程教學改革的幾點思考[J].哈爾濱:教育探索，2013,260(2)：31-33

[4] 翟文權，李書旗．電子技術實驗教學改革探索[J].北京：實驗技術與管理，20l0，27(10)：139-141．

[5] 高文煥，張尊僑，徐振英等，電子技術實驗[M]．北京：清華大學出版社，2004．

Some Thoughts on the Reform of Electronic Technology Experiment Teaching

CHEN Can, REN Xu-hu, LI Lin, LIU Fu-yu

(CollegeofInformationandControlEngineering，ChinaUniversityOfPetroleum(EastChina)，Qingdao266580，China)

Based on the problems that have occurred after the Electronics Technology Experiment was set as a separate course, this paper proposed this reform ideas noted as systematical and hierarchical, modular, as well as specialized integration of hardware and software. Meanwhile, it presents some advice on the experimental assessment and report writing, hoping to present some value on the other independent experimental courses.

electronic technology; experimental teaching; inspection way

2016-06-04;

2016-11-08

山東省重點教改項目“基于能力培養的電工電子學課程體系與教學模式的探索與實踐”(2015Z025)；校級實驗教改項目“以綜合能力培養為導向的智能數字電路實驗系統研制”(YJ-A201624)；校級實驗教改項目“TRIZ 理論導向的《數字電子技術》4C/ID 研究性教學模式探索與實踐”(YK201606) 第一作者：陳 璨(1978-)，男，碩士，實驗師，主要從事智能信息處理，計算機測量與控制的實驗教學，E-mail:upcll@163.com

G420

A

1008-0686(2017)03-0129-04