摘 要： 作者針對數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗教學(xué)的重要性，以及目前實(shí)驗教學(xué)過程中存在的問題，引入實(shí)驗手段的多樣化，對實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行了重新構(gòu)建和優(yōu)化，在激發(fā)學(xué)生的主動性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的分析、解決實(shí)踐能力方面取得了一定的成果。
　　關(guān)鍵詞： 《數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗》 教學(xué)改革 成果
　　
　　一、引言
　　《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》是高等院校電氣、電子、通信、自動化等專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，我?！稊?shù)字電子技術(shù)實(shí)驗》從理論課中分離出并單獨(dú)設(shè)課，其實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是：學(xué)生在了解各種基本的邏輯電路的基礎(chǔ)上，不僅要能熟練運(yùn)用所學(xué)的理論知識對數(shù)字電路進(jìn)行分析，而且在此基礎(chǔ)上要能夠根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計電路，并通過實(shí)驗來驗證其正確性，所以這門科的重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗課程作為一種實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，應(yīng)注重在課程中培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科研的能力，要求學(xué)生在所進(jìn)行的實(shí)驗中，不能只是簡單地模仿，而要有自己的東西，即“獨(dú)創(chuàng)”。這就需要構(gòu)建合理的實(shí)驗教學(xué)體系，不僅讓學(xué)生受到系統(tǒng)的實(shí)驗技能訓(xùn)練，掌握科學(xué)實(shí)驗的基本知識、方法和技能，而且要培養(yǎng)學(xué)生敏銳的觀察力，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，分析和解決科學(xué)實(shí)踐問題的能力。
　　二、傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在的問題
　　數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗傳統(tǒng)的教學(xué)模式是：學(xué)生領(lǐng)取實(shí)驗所需的元器件，將電路在面包板上用導(dǎo)線搭接出來，再根據(jù)真值表逐一對電路進(jìn)行驗證。這個過程在操作時始終存在著一定的問題：如果是驗證型問題還不大，但如果是設(shè)計型或者是綜合型的實(shí)驗，就有可能實(shí)驗室沒有所需的元件，學(xué)生必須用指定的芯片對已設(shè)計好的電路進(jìn)行更改，并且由于設(shè)計中使用的芯片是指定，在一定程度上局限了學(xué)生的思路，限制了學(xué)生主動性和創(chuàng)造性的發(fā)揮，不可避免地造成設(shè)計方案雷同，缺乏靈活性。雖然這種設(shè)計方法對理論知識的理解和應(yīng)用有好處，但對于一些較復(fù)雜的綜合型實(shí)驗，其實(shí)驗結(jié)果除了取決于設(shè)計繁瑣程度，還取決于硬件接線的質(zhì)量（包括面包板和導(dǎo)線接觸良好，元器件完好，等等），這些都直接影響了實(shí)驗的成功率，因此一些學(xué)生直到最后也不知道問題所在，這在一定程度上打擊了學(xué)生的積極性。學(xué)生學(xué)完這門課后，常常感到無所適從，既不知如何系統(tǒng)設(shè)計，又不知如何進(jìn)行芯片選擇，更談不上對電路的進(jìn)一步優(yōu)化，因此，驗證型的實(shí)驗在整個課程中占了較大的比例，也就不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好地培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力，如何解決這個難題就成了當(dāng)前教學(xué)中亟待解決的問題。
　　三、EDA的引入及實(shí)驗手段的多樣化
　　近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，隨著電子設(shè)計自動化（EDA，Electronic Design Automation）的飛速發(fā)展和CPLD/FPGA （復(fù)雜可編程邏輯器件/現(xiàn)場可編程門陣列）器件的涌現(xiàn)，利用EDA軟件對CPLD/FPGA器件開發(fā)，已成為現(xiàn)代電子設(shè)計的重要手段，因此它就成為電子工程師必須掌握的基本技能。EDA技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，也促進(jìn)了高等學(xué)校電子技術(shù)課程的體系和內(nèi)容的相應(yīng)改革，在發(fā)達(dá)國家許多大學(xué)已將EDA融入到實(shí)踐教學(xué)，并在工程應(yīng)用中占有重要的地位。
　　傳統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方法是“自底而上”，即先將眾多底層的模塊設(shè)計出來，然后按照頂層系統(tǒng)要求將這些底層模塊組合起來。這種設(shè)計方法的缺點(diǎn)是只能在整個系統(tǒng)建立起來后，才能進(jìn)行功能的驗證，一旦出錯，需重新設(shè)計各個模塊，效率低，周期長。與它不同，EDA采用的是“自上而下”多層次的設(shè)計方法，即把系統(tǒng)劃分為若干個基本模塊，每個模塊再劃分為下一層次基本模塊，以此不斷往下劃分，直到基本模塊可以直接使用EDA庫中的基本元件來實(shí)現(xiàn)為止。MaxplusII軟件是第三代可編程邏輯器件開發(fā)系統(tǒng)，它可以利用原理圖輸入法、文本輸入法（硬件描述語言）或混合輸入法建立設(shè)計，輸入方式多樣化，且設(shè)計速度快，其中原理圖輸入法是公認(rèn)的人機(jī)界面最友好、最易使用的方法。目前廣泛使用的硬件描述語言是VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language），也是一種國際標(biāo)準(zhǔn)全方位硬件描述語言，在電子系統(tǒng)自動設(shè)計十分流行，現(xiàn)已成為主要硬件的描述工具，它包括系統(tǒng)行為級、寄存器傳輸級和邏輯門級多個設(shè)計層次，具有強(qiáng)大的行為描述能力，可以用簡潔明確的源代碼來描述復(fù)雜的邏輯控制，且VHDL語言系統(tǒng)雖然很龐大，但實(shí)際應(yīng)用中只需用30%的基本語句就可以完成95%的電路設(shè)計。因此在培養(yǎng)學(xué)生掌握傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗手段的同時，引入EDA技術(shù)，可以進(jìn)一步擴(kuò)展學(xué)生的思維空間，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，也可以激發(fā)學(xué)生的電子設(shè)計創(chuàng)作靈感，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，同時也可以大大提高教學(xué)效益。
　　四、整合實(shí)驗內(nèi)容，構(gòu)建合理實(shí)驗體系
　　構(gòu)建合理的實(shí)驗教學(xué)體系，不僅能讓學(xué)生受到系統(tǒng)的實(shí)驗技能訓(xùn)練，掌握科學(xué)實(shí)驗的基本知識、方法和技能，而且能培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析和解決科學(xué)實(shí)踐問題的能力，以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力和創(chuàng)新能力。
　　我校組織理論課教師和實(shí)驗課老師結(jié)合數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗已開設(shè)的實(shí)驗及現(xiàn)有的實(shí)驗手段，共同整理了實(shí)驗內(nèi)容，構(gòu)建了更為合理的實(shí)驗體系，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗與理論的既配合又獨(dú)立的關(guān)系，同時編寫并出版了配套的實(shí)驗教材。
　　實(shí)驗手段從單純的硬件接線上升到軟、硬結(jié)合的層面，在實(shí)驗內(nèi)容上減少了驗證型實(shí)驗，擴(kuò)大了設(shè)計型的比重，增加了綜合型實(shí)驗，三個不同層次的實(shí)驗類型的比例是驗證型20%、設(shè)計型60%和綜合型40%。由于實(shí)驗教學(xué)比理論教學(xué)具有較大的自由度和想象空間，因此實(shí)驗內(nèi)容可根據(jù)課程自身特點(diǎn)，同時兼顧學(xué)生的興趣，從多層次、多角度來考慮，充分體現(xiàn)了趣味性、應(yīng)用性和自主性等。比如，我們設(shè)計了一個直流電機(jī)的實(shí)驗，結(jié)合理論課程的不同章節(jié)，逐步設(shè)計并完成整個設(shè)計，整個過程大致可分為三步：第一步，學(xué)完組合邏輯電路的設(shè)計后，完成電機(jī)的啟動和停止；第二步，學(xué)完時序邏輯電路的設(shè)計后，要求電機(jī)在預(yù)定的時間內(nèi)啟動和停止；第三步，學(xué)完脈沖波形的產(chǎn)生和整形后，要求電機(jī)以不同的速度運(yùn)行。其中的每一步設(shè)計，都讓學(xué)生先在MaxplusII軟件上進(jìn)行設(shè)計輸入、編譯、綜合、仿真（包括時序仿真和功能仿真），最后下載到FPGA器件上進(jìn)行硬件調(diào)試和驗證。整個過程一步步逐漸提高要求，增加了趣味性，同時也擴(kuò)展了思維空間，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神，提高了創(chuàng)新能力。
　　教學(xué)方法將從前“以教師為主”，學(xué)生只能是被動的重復(fù)或按照事先已擬定好的實(shí)驗步驟按部就班地進(jìn)行驗證，改變?yōu)椤耙詫W(xué)生為中心”的啟發(fā)式、討論式、探索式的教學(xué)方法。不僅如此，還實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗室開放式管理，學(xué)生只需提前向?qū)嶒炇翌A(yù)約，就可自由支配實(shí)驗時間，根據(jù)自己的能力靈活掌握實(shí)驗進(jìn)程。
　　五、考核體系的建立
　　考核不僅是對學(xué)生水平的測試，而且是對教師教學(xué)效果的檢驗，因此，考核體系的質(zhì)量就對一門課程的學(xué)習(xí)至關(guān)重要?？己朔绞皆谧⒅仄綍r成績的同時，更注重實(shí)際能力，它有助于學(xué)生踏實(shí)地掌握所學(xué)知識。整個課程的成績評定主要分為兩個部分：平時成績和考試成績。其中：平時成績（總成績的60%）=預(yù)習(xí)報告+實(shí)際操作+實(shí)驗報告；考試成績（總成績的40%）=實(shí)驗理論知識+實(shí)際操作，其中實(shí)驗理論知識部分側(cè)重于學(xué)生們在平時實(shí)驗中容易出錯，以及需要重點(diǎn)掌握的內(nèi)容。
　　六、結(jié)語
　　通過這些年對實(shí)驗內(nèi)容和實(shí)驗手段的不斷改進(jìn)，我們?nèi)〉昧艘欢ǖ某晒?，同時也暴露出一些問題：第一，由于拓寬了學(xué)生的思路，他們所設(shè)計的電路千差萬別，這就需要理論和實(shí)踐能力都較強(qiáng)的指導(dǎo)老師，我?，F(xiàn)有的師資還不能夠完全滿足要求，每個教師都長期超負(fù)荷工作；第二，由于實(shí)驗設(shè)備的數(shù)量有限，雖然有預(yù)約機(jī)制，但仍不能完全做到學(xué)生隨時都能下實(shí)驗室；第三，由于實(shí)驗的學(xué)生數(shù)量較大，管理出現(xiàn)困難，實(shí)驗的設(shè)備和元器件損壞明顯增加。總之，教學(xué)改革不是一朝一夕就能完成的，它是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，如何解決以上問題，還需要我們進(jìn)行深入的探討。
　　
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