李雙喜，王　磊，王　岳

(安徽科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233101)

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數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)踐能力強(qiáng)化研究*

李雙喜，王磊，王岳

(安徽科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233101)

摘要：數(shù)字電子技術(shù)作為電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，強(qiáng)化學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，對(duì)人才培養(yǎng)方案確定的培養(yǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)以及學(xué)生的數(shù)字技術(shù)創(chuàng)新能力的形成都具有積極的意義。本文以安徽科技學(xué)院高水平應(yīng)用型大學(xué)建設(shè)背景下的數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)改革實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，闡述了強(qiáng)化學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐能力培養(yǎng)的措施與方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子技術(shù)；實(shí)踐能力；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；應(yīng)用型高水平大學(xué)

數(shù)字電子技術(shù)作為電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)一門(mén)實(shí)踐性突出的技術(shù)基礎(chǔ)課程，強(qiáng)化學(xué)生數(shù)字技術(shù)實(shí)踐能力的培養(yǎng)，對(duì)課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要的作用。扎實(shí)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力也是后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要支撐，是學(xué)生實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)運(yùn)用與創(chuàng)新的基本保證[1]。

本文結(jié)合安徽科技學(xué)院2010、2013、2015版電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案的改革與高水平應(yīng)用型大學(xué)建設(shè)的數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)實(shí)踐，探討了我校電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐能力培養(yǎng)的改革措施與方法[1]。

1拓展實(shí)踐環(huán)節(jié)、漸進(jìn)式培養(yǎng)實(shí)踐能力

1.1傳統(tǒng)數(shù)電實(shí)踐環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要由“課程實(shí)驗(yàn)”、“課程設(shè)計(jì)”兩個(gè)主要環(huán)節(jié)構(gòu)成。其中課程實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證數(shù)字邏輯信號(hào)電平關(guān)系、邏輯門(mén)、中小規(guī)模組合邏輯集成電路、時(shí)序邏輯電路的邏輯功能以及時(shí)序特征，具體的進(jìn)程安排一般是配合課程的章節(jié)教學(xué)進(jìn)程實(shí)施，起到理論聯(lián)系實(shí)際、增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)的作用，達(dá)到掌握數(shù)字信號(hào)特征、邏輯芯片功能以及初步運(yùn)用的基礎(chǔ)實(shí)踐能力。而專(zhuān)門(mén)設(shè)置的數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)則是以一定規(guī)模的綜合性的數(shù)字電子技術(shù)課題為研究對(duì)象，達(dá)到綜合運(yùn)用各種邏輯關(guān)系以及選擇不同邏輯功能的芯片實(shí)現(xiàn)特定功能的數(shù)字單元或小型數(shù)字系統(tǒng)為訓(xùn)練目的。

僅僅依靠“課程實(shí)驗(yàn)”、“課程設(shè)計(jì)”兩個(gè)基本環(huán)節(jié)實(shí)施，實(shí)踐中我們認(rèn)為存在以下問(wèn)題：

1) 由于實(shí)施“平臺(tái)+模塊”模式的人才培養(yǎng)方案的實(shí)施、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)時(shí)都有一定的壓縮，課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的學(xué)時(shí)也相應(yīng)的縮減。

2) 由于開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)的數(shù)量和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)時(shí)的限制，難以將數(shù)字電子技術(shù)常見(jiàn)芯片的應(yīng)用進(jìn)行深入運(yùn)用，影響了學(xué)生對(duì)數(shù)字電子技術(shù)器件綜合運(yùn)用能力的提升。

3) 鑒于學(xué)校對(duì)課程實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)費(fèi)劃撥是根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)量、實(shí)踐教學(xué)的周數(shù)、班級(jí)數(shù)進(jìn)行核定，因此僅僅依賴(lài)這兩個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)踐教學(xué)的材料采購(gòu)基數(shù)往往不能夠滿(mǎn)足實(shí)際需要。從而限制了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)與項(xiàng)目的規(guī)模、復(fù)雜程度的提升，限制了實(shí)踐教學(xué)效果的提升。

4) 由于平行班級(jí)學(xué)生數(shù)的增加，且實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐指導(dǎo)教師數(shù)量以及教學(xué)工作量計(jì)算方法的限制，實(shí)驗(yàn)課程和課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的開(kāi)展往往采取大班進(jìn)行，因此限制了學(xué)生與教師的實(shí)踐互動(dòng)交流的時(shí)間以及實(shí)踐效果。

5) 由于只有兩個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)支撐學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐能力的培養(yǎng)，限制了學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐能力訓(xùn)練向綜合化、創(chuàng)新化、深度化方向強(qiáng)化。

1.2優(yōu)化數(shù)電實(shí)踐環(huán)節(jié)，強(qiáng)化實(shí)踐效果

為克服傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)所帶來(lái)的“實(shí)踐學(xué)時(shí)不足”、“師生實(shí)踐互動(dòng)交流不充分”、“實(shí)踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)有限”、“循序漸進(jìn)性不足”、“實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目技術(shù)復(fù)雜性低”、“器件類(lèi)型限制”等實(shí)際缺陷，優(yōu)化數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，推進(jìn)循序漸進(jìn)模式訓(xùn)練，實(shí)行課程實(shí)驗(yàn)、課程綜合設(shè)計(jì)、電子工藝實(shí)踐、專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)踐、專(zhuān)業(yè)技能訓(xùn)練層次遞進(jìn)模式進(jìn)行，配合課外競(jìng)賽以及科技活動(dòng)等方式不間斷推進(jìn)強(qiáng)化，可以有效解決數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐能力培養(yǎng)存在的弊端。表1所示是我校電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)與數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐能力培養(yǎng)密切相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

表1　安徽科技學(xué)院電氣信息類(lèi)各專(zhuān)業(yè)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐環(huán)節(jié)

2案例驅(qū)動(dòng)，增強(qiáng)興趣，強(qiáng)化理實(shí)結(jié)合

興趣是最好的老師，數(shù)字電子技術(shù)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置從門(mén)電路的特性測(cè)試開(kāi)始按照各章節(jié)的理論內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，各部分的內(nèi)容相互獨(dú)立，缺少在數(shù)字系統(tǒng)環(huán)境下的數(shù)字電路功能與價(jià)值體現(xiàn)，而課程設(shè)計(jì)由于多方面的實(shí)際原因，課程設(shè)計(jì)的項(xiàng)目技術(shù)復(fù)雜性也不能向深度引入。從而限制了學(xué)生對(duì)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐的興趣。

2.1科學(xué)設(shè)置案例，提升自主實(shí)踐的積極性

“交通燈”、“數(shù)字時(shí)鐘”、“競(jìng)賽計(jì)時(shí)器”、“慶典倒計(jì)時(shí)牌”、“LED點(diǎn)陣廣告牌”、“數(shù)字顯示終端”、“搶答器”、“計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)”、“電子電壓表”、“數(shù)字血壓表”、“轉(zhuǎn)速表”等等這些數(shù)字裝置設(shè)備都是同學(xué)們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常見(jiàn)識(shí)的，思考為什么靠數(shù)字電子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這些，是每個(gè)學(xué)生剛接觸數(shù)字電子技術(shù)都會(huì)想自己動(dòng)手嘗試實(shí)現(xiàn)的。

因此數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐環(huán)節(jié)案例的選取應(yīng)遵循：

1) 案例能夠體現(xiàn)典型的數(shù)字技術(shù)運(yùn)用，為大家所熟悉；

2) 案例對(duì)器件的要求以案例功能模塊的實(shí)現(xiàn)為導(dǎo)向，充分圍繞所選即為所用；

3) 案例設(shè)置的技術(shù)復(fù)雜性遵循漸進(jìn)方式，由易到難，逐步提升學(xué)生實(shí)踐成功的信心；

4) 案例設(shè)置遵循層次性，體現(xiàn)數(shù)字器件、數(shù)字功能單元、數(shù)字小系統(tǒng)到復(fù)雜系統(tǒng)的延伸應(yīng)用，不斷強(qiáng)化典型數(shù)字功能單元在復(fù)雜系統(tǒng)中的運(yùn)用，增強(qiáng)學(xué)生在實(shí)踐中對(duì)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的解剖、分析、設(shè)計(jì)能力。

2.2激發(fā)實(shí)踐好奇心，強(qiáng)化解決問(wèn)題的能力

例如：隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在自動(dòng)化控制、精密機(jī)械加工、航空航天技術(shù)以及所有要求高精度定位、自動(dòng)記錄、自動(dòng)瞄準(zhǔn)等高新技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)得利了廣泛的應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移或直線(xiàn)位移的機(jī)電執(zhí)行元件，每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖時(shí)，它便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的機(jī)械角度，脈沖一個(gè)一個(gè)地輸入，電動(dòng)機(jī)便一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。它具有快速啟停、精確步進(jìn)、誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累以及能直接接收數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)，在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

圖1就是利用最常見(jiàn)的移位寄存器74LS194構(gòu)成一種環(huán)形計(jì)數(shù)器，在移位控制信號(hào)的作用下可以按照有效循環(huán)0001-0010-0100-1000工作，電機(jī)正轉(zhuǎn)；按照0001-0100-0010-0001工作，電機(jī)反轉(zhuǎn)。將移位寄存器的并行輸出送到步進(jìn)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路就可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作了。

圖1　74LS194實(shí)現(xiàn)四相單拍步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖分配驅(qū)動(dòng)電路

再比如在通信系統(tǒng)中常常需要頻率穩(wěn)定度極高的頻率源來(lái)使用，在實(shí)際工作中可以通過(guò)PLL技術(shù)獲得高穩(wěn)定度的頻率信號(hào)。圖2使用數(shù)字PLL芯片CD4046，通過(guò)74LS90完成N分頻，74LS191完成M分頻。

圖2　計(jì)數(shù)器作為分頻器使用

因此通過(guò)與技術(shù)緊密結(jié)合的方式將數(shù)字電子技術(shù)的運(yùn)用在工程實(shí)踐上的靈活運(yùn)用展現(xiàn)在學(xué)生面前，促進(jìn)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，使學(xué)生的創(chuàng)造能夠落地生根并加以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)能夠有效引領(lǐng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的好奇心，強(qiáng)化解決問(wèn)題的能力。

3仿真與項(xiàng)目訓(xùn)練并舉，完善實(shí)踐手段

學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐能力的提升需要獲取一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作為基礎(chǔ)，因此改革數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐手段是十分重要的。目前良好的數(shù)字技術(shù)的仿真平臺(tái)為數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐能力的培養(yǎng)提供了不可或缺的技術(shù)保障，但是單純的仿真手段在實(shí)踐上對(duì)全面提升學(xué)生數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐能力還是存在先天性的不足。我們認(rèn)為仿真技術(shù)與項(xiàng)目工程實(shí)際訓(xùn)練并舉能夠進(jìn)一步有效強(qiáng)化學(xué)生的數(shù)字電子技術(shù)的綜合實(shí)踐能力[3]。

3.1以仿真為輔，強(qiáng)化驗(yàn)證與推斷

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，目前用于數(shù)字電子技術(shù)仿真的軟件很多，常見(jiàn)的如EWB、Multisum、Proteus、QuartusII、Altium designer等等都可以作為數(shù)字電子技術(shù)的仿真實(shí)踐平臺(tái)運(yùn)用。

虛擬的仿真平臺(tái)具有與真實(shí)的環(huán)境相似的場(chǎng)景，如EWB(電子工作臺(tái))軟件以及后續(xù)版本Multisum都具有工作臺(tái)環(huán)境，布置有需要使用的虛擬儀器和電子器件，使初學(xué)者具有臨場(chǎng)的體會(huì)。在虛擬環(huán)境中不存在器件的配置受限、實(shí)際損失產(chǎn)生等缺陷，即使失敗可以從頭再來(lái)，直至達(dá)到理想的設(shè)計(jì)、工作效果。仿真過(guò)程中參數(shù)的調(diào)整、器件故障的設(shè)置、電路工作狀態(tài)的分析等等都十分方便。

更專(zhuān)業(yè)的數(shù)字電子技術(shù)仿真平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的性能深入分析、提供參數(shù)優(yōu)化與分析、設(shè)計(jì)代碼編譯、綜合與實(shí)配、下載等實(shí)際功能?？梢杂行椭鷮W(xué)習(xí)者在課題、項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段完善設(shè)計(jì)效果，強(qiáng)化數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐對(duì)理論正確性的驗(yàn)證與推斷。

3.2仿真技術(shù)與工程訓(xùn)練并舉，相得益彰

任何仿真工具的工作都是基于計(jì)算機(jī)算法實(shí)現(xiàn)的，與真正器件在組成電路時(shí)存在的器件個(gè)體差異、電子線(xiàn)路工藝水平、器件參數(shù)差異、驅(qū)動(dòng)能力、功率損耗等等方面的實(shí)際情況是無(wú)法仿真實(shí)現(xiàn)的，因此真正的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和能力必須依靠一定強(qiáng)度和范圍的實(shí)際操作強(qiáng)化才能得到有效提升。在強(qiáng)化學(xué)生課程實(shí)踐能力方面，實(shí)實(shí)在在的面對(duì)項(xiàng)目、課題以及案例進(jìn)行實(shí)際操作訓(xùn)練是必要的，仿真手段在實(shí)踐教學(xué)實(shí)施過(guò)程中只能作為輔助手段加以靈活運(yùn)用和補(bǔ)充。

鑒于數(shù)字電路從20世紀(jì)的中、小規(guī)模集成電路的運(yùn)用進(jìn)入到CPLD(復(fù)雜可編程)、FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程)環(huán)境，技術(shù)含量高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)模大的數(shù)字單元或系統(tǒng)在CPLD/FPGA開(kāi)發(fā)版上易于實(shí)現(xiàn)，輔助其他的傳感器模塊、顯示器件、電源模塊、執(zhí)行器等等可以方便地根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要進(jìn)行真實(shí)的數(shù)字電子系統(tǒng)實(shí)踐訓(xùn)練，從而強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力的提升，經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)與豐富。

根據(jù)教學(xué)實(shí)踐我們的經(jīng)驗(yàn)是：

第一：設(shè)置以中、小規(guī)模數(shù)字集成電路為器件的數(shù)字系統(tǒng)(產(chǎn)品)作為先導(dǎo)，夯實(shí)以“搭積木”手段開(kāi)發(fā)數(shù)字電子技術(shù)的實(shí)踐能力。實(shí)踐選取以常見(jiàn)的數(shù)字產(chǎn)品為基礎(chǔ)。采用全數(shù)字的方法完成。經(jīng)過(guò)這樣的項(xiàng)目訓(xùn)練，可以有效使學(xué)生熟悉器件的性能、邏輯功能、正確使用、參數(shù)選型、電路測(cè)試、電子工藝以及熱設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)。

第二：以EWB、Multisum、Proteus、QuartusII、Altium designer等仿真工具作為輔助手段，可以充分利用大學(xué)生的課程課外學(xué)習(xí)、課外活動(dòng)以及科技創(chuàng)新、專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽等環(huán)節(jié)強(qiáng)化對(duì)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐能力的鞏固。由于不涉及具體的實(shí)物器件的消耗，學(xué)生設(shè)計(jì)、訓(xùn)練的自由度高，有創(chuàng)意、有項(xiàng)目、有思路就可以不受實(shí)驗(yàn)室條件的限制進(jìn)行實(shí)踐。

第三：以現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐能力的核心，運(yùn)用UP-DOWN或BOTTOM-TOP的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合數(shù)字系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)際工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)訓(xùn)練，從而強(qiáng)化學(xué)生作為工程師在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐能力方面的培養(yǎng)。

4結(jié)論

隨著數(shù)字電子芯片的發(fā)展以及數(shù)字開(kāi)發(fā)手段的進(jìn)步，不斷優(yōu)化數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容對(duì)推動(dòng)應(yīng)用型高水平大學(xué)建設(shè)背景下的數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)將產(chǎn)生積極的意義，學(xué)生在學(xué)校獲得的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐能力與企業(yè)對(duì)人才的能力與素質(zhì)需求將真正對(duì)接得上。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2015-12-10

基金項(xiàng)目：安徽科技學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目資助(XJ201222/X2014055/XJ201453)

作者簡(jiǎn)介：李雙喜(1972- )，男，安徽懷寧人，副教授，研究方向：光電信息檢測(cè)與控制、高等教育教學(xué)管理與研究。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)02- 0075- 03

中圖分類(lèi)號(hào)：G420；TN79

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Research on the Practice of Digital Electronic Technology Course

Li Shuangxi, Wang Lei, Wang Yue

(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,AnhuiScienceTechnologyUniversity,BenbuAnhui233101,China)

Abstract:Digital electronic technology is an important professional basic course for electrical information specialty; it has positive significance to the implementation of training objectives and the formation of the digital technology innovation ability by strengthening students’ ability of digital electronic technology curriculum practice. This paper expounds the measures and methods of strengthening student’s digital electronic technology and cultivating the ability of practice based on the experience of the teaching reform and construction in applied high level university.

Key words:digital electronic technology; practical ability; experiment teaching; applied high level university