曹 文，姜書艷，王銀玲，劉春梅，李 林，陳 艷

（1. 西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010；2. 電子科技大學 自動化工程學院，四川 成都 611731；3. 西南科技大學 工程訓練國家級實驗教學示范中心，四川 綿陽 621010；4. 南京農(nóng)業(yè)大學 工學院，江蘇 南京 210095）

作為重要的專業(yè)基礎課，數(shù)字電子技術的實踐特征非常明顯，依托數(shù)電實驗這一關鍵載體，有助于學生在略顯枯燥的理論學習中產(chǎn)生學習興趣與求知欲。

1 傳統(tǒng)數(shù)電實驗的特征

1.1 驗證性實驗內(nèi)容為主

傳統(tǒng)數(shù)電實驗內(nèi)容多為驗證性，如邏輯門功能測試、譯碼結(jié)果顯示、觸發(fā)器功能驗證等，少量設計性實驗也停留在3 人表決、變模計數(shù)等較低難度的內(nèi)容層面，曾經(jīng)出現(xiàn)大綱中的綜合實驗內(nèi)容因受學時、場地、設備等因素制約而被精簡的現(xiàn)象。

少量的驗證性實驗能夠幫助學生了解硬件數(shù)字電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與形態(tài)，但占比過大的驗證性實驗則容易讓學生先于實驗操作而獲取實驗結(jié)果及結(jié)論，進而按照先入為主的思維定勢展開實驗操作，無法實現(xiàn)實驗初衷，難以涌現(xiàn)創(chuàng)新實驗思路。驗證性實驗內(nèi)容的技術難度普遍不高，也容易導致學生養(yǎng)成輕視數(shù)電實驗的不良風氣。

1.2 數(shù)電實驗臺龐大、成本高、維修繁瑣

傳統(tǒng)數(shù)電實驗平臺從早期的面包板起步，然后演變?yōu)轶w積較大、價格較貴的實驗臺或?qū)嶒炏?。集成芯片（IC）插座被固定至實驗臺面板，引腳間距2.54 mm，由位置相互獨立的單點式香蕉插孔將IC 插座的緊湊引腳分散引出后，間距普遍超過10 mm，如圖1 所示。

圖1 香蕉插孔分散引出IC 插座的引腳

元器件引腳分散接出的傳統(tǒng)數(shù)電實驗臺結(jié)構(gòu)便于學生在實驗過程中實施電氣連線，但也增加了故障隱患，集中表現(xiàn)為以下幾個方面：

（1）IC 插座的簧片失去彈性或簧片表層氧化后可能引發(fā)接觸不良。

（2）實驗臺內(nèi)部的香蕉插孔與IC 插座引腳之間連線脫落或?qū)嶒炁_面PCB 焊盤氧化后發(fā)生斷路。

（3）實驗臺內(nèi)置的供電電源或信號源損壞、輸入狀態(tài)設置開關損壞等。

上述故障均需拆掉實驗臺面板，才能進行針對性的維修，工作量較大且過程相對繁瑣。

1.3 實驗操作模式機械、連線工作量繁重枯燥

在數(shù)電實驗臺上進行實驗操作時，學生往往僅需參照指導書給出的實驗步驟，通過香蕉插頭導線與IC對應節(jié)點進行邏輯（電氣）連接，完成的實驗作品與真實電子產(chǎn)品大相徑庭：

（1）電氣節(jié)點之間的連線冗長，與印制電路板系統(tǒng)（PCBA）經(jīng)蝕刻而成的電氣線條相去甚遠。

（2）長導線之間的寄生電容，LED 及數(shù)碼管等顯示器件過低的工作頻率等因素嚴重制約了數(shù)字電路實驗系統(tǒng)的工作頻率。

（3）受IC 插座、香蕉插頭/插孔等接插件的限制，基本的阻容元器件、微小封裝的SMT 元件容易發(fā)生不可靠連接而降低實驗成功率。

（4）受香蕉插座布局松散的影響，實驗臺面板能夠容納的IC 插座數(shù)量有限；其次，IC 插座的相對位置固定、且導線長度也基本固定，留給學生布局規(guī)劃、自主調(diào)整電路拓撲的操作空間有限，同時也限制了較大規(guī)模綜合性實驗項目的開展。

實驗完成后，展示給學生的實驗作品更多地表現(xiàn)為高低不一且凌亂的一堆連線，難以展示真實的應用場景，容易使學生形成“數(shù)電實驗電路只能進行功能的模擬驗證”“數(shù)字電路沒有實用價值”等錯覺。而單靠連線即可得到實驗結(jié)果，還容易束縛學生的創(chuàng)新意識和自由發(fā)揮的空間。

1.4 課內(nèi)實驗的成功率不高

學生在每次數(shù)電實驗課中需要完成每根電氣連線的核對與插接，低水平的重復工作較多、耗時偏長。實驗作品的連線過多、過亂、過于復雜，邏輯功能發(fā)生故障的概率將會明顯提高。如果缺乏基本的測試流程與技巧培訓，當電路功能未達到預定實驗目標時，學生一般難以從凌亂的接插線中及時、準確地聚焦故障點、把握故障原因。

傳統(tǒng)實驗模式下，實驗項目成功率δ受絕緣電線內(nèi)部開路率O、板載數(shù)字芯片損壞率I、接插點錯位率C、芯片引腳與IC 插座簧片之間接觸不良率L等因素的協(xié)同制約：

其中，I與實驗臺通電計數(shù)值相關，每學期開學階段實驗課的I值較低，但在學期后半段將顯著增加；C隨學生個體差異而波動較大，女生普遍優(yōu)于男生；C與實驗課的開設時間段也具有一定的相關性，如安排在下午第一講的實驗課C值相對略高；O與L分別與實驗耗材及實驗臺質(zhì)量相關，O值約為0.5%～2%，相對較大。

總體來看，數(shù)電實驗的單次成功率δ明顯低于電路、模電、單片機等基礎課程實驗。

1.5 實驗室工作負荷重、實驗教師壓力大

傳統(tǒng)的數(shù)電實驗均在專門實驗室內(nèi)開設。受實驗室建制規(guī)模、場地、指導教師人數(shù)等因素制約，實驗臺的臺套數(shù)多為35～60 當量，滿足數(shù)電實驗已是捉襟見肘，而不少高校的電子技術實驗室還需承擔非電專業(yè)的電工電子實驗課程。

由于采購單價較高，數(shù)電實驗臺多為固定資產(chǎn)，升級換代周期較慢；其次，數(shù)電實驗臺均為非標設備，可靠性總體偏低，設備的維護、維修工程量大且耗時長，運維成本較高。

基于上述原因，傳統(tǒng)數(shù)電實驗室無一例外地處于超負荷運行狀態(tài)，數(shù)電實驗臺的故障率持續(xù)居高不下，有效開工率不足。

受課內(nèi)實驗成功率δ的影響，2 學時課內(nèi)實驗結(jié)束時，或多或少會出現(xiàn)無法順利完成的情況，無疑會給實驗室和實驗教師造成額外的工作負擔。

2 開展“雙實一虛”數(shù)電實驗改革探索

電子實驗實踐教學團隊通過虛心學習兄弟院校的數(shù)電實驗改革思路，并結(jié)合團隊十多年來課程運行經(jīng)驗總結(jié)，初步摸索并形成一套適合自身特色的數(shù)電實驗運行模式：雙實一虛、虛實結(jié)合、以虛促實、深度融合。近年來經(jīng)不同專業(yè)班級中的多輪測試證明，在人才培養(yǎng)質(zhì)量、協(xié)同創(chuàng)新、實驗管理等方面取得了較好的階段性改革成效。

“雙實”包含實驗、實訓2 種實踐教學形態(tài)、“一虛”指虛擬仿真。通過如圖2 所示的相關知識技能的交叉互補，實現(xiàn)“實驗電路設計與仿真”“實驗電路裝配焊接與調(diào)試”“實驗操作及參數(shù)測試”深度有機融合，充實并拓展了傳統(tǒng)數(shù)電實驗課程體系。

圖2 數(shù)電“雙實一虛”全新實驗流程

“雙實一虛”數(shù)電實驗課程的改革內(nèi)容包括但并不局限于下列內(nèi)容：

（1）全面建設立體、優(yōu)質(zhì)、開放的線上線下數(shù)電實驗輔助教學資源（如實驗教學課件、輔助實驗操作視頻等），便于組織學生開展課前的實驗預習，同時帶動自主（助）實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性設計實驗的開展，“打通最后一公里”。

（2）保留傳統(tǒng)數(shù)電實驗的部分基礎操作，設計開發(fā)與工程教育專業(yè)認證結(jié)合緊密的全新實驗案例和口袋實驗室等新型硬件實驗平臺，將部分實驗操作轉(zhuǎn)移到實驗室外完成，“以空間換時間”。

（3）向傳統(tǒng)數(shù)電實驗操作新增電子焊接及裝配、模塊單元互換、故障分析及排查、系統(tǒng)功能調(diào)試等實訓操作內(nèi)容，實現(xiàn)“耗時1+1＜2、成效1+1＞2”。

（4）穩(wěn)步增添專業(yè)針對性更強、智能化程度更高的新型專用儀器，向傳統(tǒng)數(shù)電實驗注入數(shù)字集成芯片檢測、波形時序觀測與分析、實驗過程實時在線監(jiān)測與提示、實驗結(jié)果網(wǎng)絡提交與云存儲等功能，鼓勵團隊教師聯(lián)合企業(yè)通過產(chǎn)學合作項目，積極參與新型智能數(shù)電實驗教學系統(tǒng)的研發(fā)，邊實踐、邊豐富、邊完善。

2.1 實驗前開展自助預習、電路仿真及設計

每次數(shù)電實驗課之前，課程團隊會發(fā)布實驗任務與參考框圖，組織學生在課前借助電路仿真軟件設計（design）或優(yōu)化調(diào)整（optimization）進行初步的實驗電路拓撲，并確定實驗方案所需的IC 型號及電路結(jié)構(gòu)。指導教師將提供與實驗相關的背景介紹、設計思路引導講解、實驗操作輔助視頻及教學課件等資源，將課前實驗預習落到實處，形成開放自助、協(xié)同學習的實驗新格局。

以方波時鐘源的設計為例，555 振蕩器的無參數(shù)參考電路、輸出頻率f0與占空比Q的計算公式、波形對應關系均提供給學生，但具體的f0與Q則需要學生根據(jù)實驗任務自行計算、仿真后選取。

實驗電路的仿真設計、參數(shù)選擇及優(yōu)化過程與平行開設的數(shù)電理論課程全面接軌，為理論教學形成強力的互補支撐，以帶動全方位的課程改革。

2.2 實驗項目精簡升級，突出工程背景

傳統(tǒng)數(shù)電實驗次數(shù)約為4～8 次，實驗耗時差異較大，從10 多分鐘到100 多分鐘不等。由于功能測試及驗證等形式枯燥的實驗占比較高，對學生缺乏吸引力?？傮w而言，實驗次數(shù)偏多、課內(nèi)有效實驗時長偏短、實驗強度分布不均。

“雙實一虛”的實驗內(nèi)容全面匹配理論課程及教材，更加注重知識的融合創(chuàng)新；實驗方案更多體現(xiàn)知識性、靈活性、趣味性和新穎性，難易程度兼顧大多數(shù)學生的知識與技能水平。

（1）摒棄純驗證、枯燥、落伍的實驗內(nèi)容，將實驗次數(shù)壓縮至3～5 次，每次課的實驗學時則根據(jù)實驗內(nèi)容有所調(diào)整，從1 個學時到3 個學時不等?！熬€上+線下、課外+課內(nèi)”同步開展實驗，降低實驗強度，提升實驗效率。

（2）整合遴選后的基礎實驗知識點，編排為創(chuàng)新型、綜合型實驗內(nèi)容，突出實驗方案的展示度與工程背景，“案例為王”，強調(diào)啟發(fā)式教學，例如，將喜聞樂見的骰子投擲過程抽象為電子骰子實驗方案，囊括理論課中的計數(shù)器、譯碼器、觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)、多諧振蕩器等核心知識點。貼近日常生活的實驗方案容易喚起學生的新鮮感與滿足感，參與實驗過程的積極性與主動性明顯提升。

（3）探索層次遞進型實驗方案的開展，以表決器實驗為例，從基于撥動開關的組合邏輯式3 人表決方案起步，升級為基于自復位輕觸按鈕的3 人或多人表決的時序邏輯實驗方案，然后將同意/反對2 種輸入表決狀態(tài)拓展為同意/棄權/反對3 種輸入狀態(tài)，穩(wěn)步提升實驗難度與知識內(nèi)涵。上述實驗方案的背景基本相同，但涉及的課程知識點逐步遞增，能夠有效激發(fā)學生的好奇心與求知欲。

（4）突出實驗方案的工程性，實驗內(nèi)容及形式均反映出真實的產(chǎn)品應用及工程背景，數(shù)電實驗板的外形也更加接近電子產(chǎn)品中的PCBA。

精簡升級后的數(shù)電實驗方案主要來源于國內(nèi)外成熟電子產(chǎn)品或教師科研項目，經(jīng)縮編、抽象而成，難易程度適中，層次性較好；再通過功能組合、參數(shù)優(yōu)化、工程背景融入等環(huán)節(jié)后，逐步形成風格清新、內(nèi)涵豐富、易于推廣的特色，使學生在實驗前有興趣、實驗中有樂趣、實驗后有想法。

2.3 研制模塊式口袋實驗板，調(diào)整數(shù)電實驗操作重心

國內(nèi)多數(shù)高校的數(shù)電實驗平臺均來自外購，外形統(tǒng)一、實驗內(nèi)容接近，多局限為對理論正確性的驗證，缺乏對學生創(chuàng)新能力的引導，不利于綜合性、設計性實驗項目的開展；而且與各個學校實際執(zhí)行的實驗課程大綱、理論課程教學內(nèi)容之間存在一定脫節(jié)。由于不會刻意強調(diào)與實驗內(nèi)容相關的工程背景，對學生的實驗設計能力、調(diào)試及測試能力培養(yǎng)均有所不足，容易孳生“欺軟怕硬”的現(xiàn)象，造成事實上的工程實踐能力缺失。

應該看到，用于單片機、FPGA 等課程的口袋實驗板目前已廣為流行，為學生快速、深入地掌握編程與調(diào)試技術、技巧構(gòu)成了強力支撐。但針對數(shù)電課程的口袋式實驗器材目前尚屬鳳毛麟角。

團隊結(jié)合優(yōu)化后的全新實驗案例，自主開發(fā)與試驗了多種類型的口袋式數(shù)電實驗板，以針對不同的專業(yè)及學時數(shù)?？诖綌?shù)電實驗板的電路PCB 為長方形，單邊最大尺寸一般不超過150 mm，便于攜帶；口袋式實驗板中的電氣布線與真實電子產(chǎn)品內(nèi)部PCB 完全一致。

完成預習后的學生到實驗中心學生助管處領取口袋實驗室套件，然后參照自己的設計與仿真結(jié)果，在寢室或自習室中搭建實驗電路。本階段涉及的主要實驗任務為元器件定位、模塊選擇、接插件連接、元器件焊接與裝配等內(nèi)容。

（1）熟能生巧。在傳統(tǒng)的數(shù)電實驗運行模式下，學生在間隔若干天之后才能回到實驗室重新接觸實驗平臺，短暫的適應過程在所難免?！半p實一虛”實驗模式下，學生可以在課外頻繁接觸到口袋式實驗板，消除了對實驗平臺的生疏感，能夠盡快參與實驗過程。

（2）調(diào)整數(shù)電實驗的操作重心?？诖綄嶒灠宓碾姎膺B接不再沿用傳統(tǒng)數(shù)電實驗臺中的香蕉插頭/插座，轉(zhuǎn)而采用電子產(chǎn)品中更常見的100 mil 間距的XH2.54、KF2510 等小尺寸防反插多位接插件；將一部分技術含量低、容易接錯或插反的單線電氣連接轉(zhuǎn)換為總線方式連接或防呆接插組件插接，既提高了實驗操作效率也消除了插接過程中的偶然性人為錯誤，從根本上調(diào)整、變革了傳統(tǒng)數(shù)電實驗的操作重心，把學生從簡單枯燥的電氣連線過程中解放出來，降低操作強度，留出更多時間來觀察實驗現(xiàn)象的“為什么”、研究實驗“怎么做”、思考實驗與測試方案的改進。

（3）模塊式實驗單元。傳統(tǒng)數(shù)電實驗臺的硬件結(jié)構(gòu)及元器件參數(shù)相對固化，而口袋式實驗板則采用易于互換的模塊式單元結(jié)構(gòu)。性能類似但存在細微差異的功能單元通過接插件接入實驗板的同一工作點位后，將直接影響最終的實驗運行結(jié)果。例如，在電子骰子實驗方案中，計數(shù)器芯片可選擇同步置數(shù)的74HC161 與異步置數(shù)的74HC163 兩種接口一致的功能單元。學生在實驗過程中通過觀察實時運行狀態(tài)或邏輯時序（波形），即可體會到具體差異。

（4）成本低廉。完成實驗后的數(shù)電口袋實驗板及部分可插拔元器件、模塊經(jīng)過檢測后，可實現(xiàn)重復利用，有效降低單次實驗成本?？诖綄嶒灠宓腜CB 批量制作單價僅1 元左右，低廉的價格通過低值易耗品的渠道即可進行采購，更為重要的是，靈活、廉價的口袋實驗板不受嚴格的實驗室固定資產(chǎn)管理限制，實驗方案可靈活地根據(jù)當前技術熱點或工程認證的專業(yè)導向進行針對性的調(diào)整或改造升級。

2.4 新增工程訓練與實訓環(huán)節(jié)

為適應“雙實一虛”的數(shù)電實驗運行模式，教學團隊在認真梳理傳統(tǒng)數(shù)電實驗操作內(nèi)容的基礎上，提出實驗與實訓并重的改革思路：將貼近企業(yè)生產(chǎn)及工程實際的元器件及導線插裝、電子焊接、電路故障排查、系統(tǒng)功能調(diào)試等原本屬于工程技能訓練的實訓內(nèi)容融入數(shù)電實驗的多個環(huán)節(jié)。

對不適合在實驗板中插接的元器件，學生需要以焊接方式進行電氣連接。向?qū)嶒灠逶O計并添加圖3 所示的工藝點：焊盤與電氣線條間應連而未連的斷點（breakpoint）、電氣回路中的可選（optional）連接點、冗余（redundant）單元、缺陷或故障（faulty）元器件等，著力拓展數(shù)電實驗內(nèi)容的廣度。

圖3 實驗板的工藝調(diào)試點

可選連接點的結(jié)構(gòu)為實驗電路帶來不同的信號通道；冗余單元則依托封裝一致、功能分化的模塊或元器件實現(xiàn)；線路斷點及故障元器件增加了實驗結(jié)果的不確定性。這些工藝結(jié)構(gòu)的介入，可引導學生觀察到實驗過程中形式各異的異?，F(xiàn)象以及與正確實驗結(jié)果的差異，然后主動思考、分析、判斷故障原因及問題所在，接著定位并排除故障，逐步實現(xiàn)預定實驗功能，強化學生分析現(xiàn)象、解決實際問題的能力，增加實驗對學生的訓練項目，消除傳統(tǒng)數(shù)電實驗電路因結(jié)構(gòu)固化而帶來的操作定勢。

如果沒有經(jīng)過認真的實驗預習與實訓調(diào)試，應付性的操作難以取得正確的實驗結(jié)果。學生對實驗所包含的未知因素充滿好奇與敬畏，參與實驗的態(tài)度、認真程度均明顯改變。實訓環(huán)節(jié)介入數(shù)電實驗課程后，通過故障查找、分析、排除環(huán)節(jié)，能夠培養(yǎng)學生綜合的電路測試與硬件故障排查能力。

2.5 實驗室測試與實驗結(jié)果檢查、答疑

在正常的實驗課時間，學生回歸實驗室并完成實驗功能測試、申請實驗結(jié)果檢查、答疑、實驗總結(jié)及思考等傳統(tǒng)實驗環(huán)節(jié)。

“雙實一虛”實驗模式下，考慮到實驗方案的工程背景，除沿用部分LED、數(shù)碼管進行邏輯狀態(tài)指示，更多地鼓勵、引導學生使用專用儀器設備測試數(shù)字電路系統(tǒng)的邏輯功能，讓整個實驗過程更加接近企業(yè)生產(chǎn)與研發(fā)的標準流程：基于虛擬儀器的邏輯分析儀或帶有邏分探頭的數(shù)字示波器（用于多路數(shù)字通道的波形觀測）、字發(fā)生器（Word Generator，用于多路時鐘輸出或初態(tài)設定）、IC 測試儀（判斷TTL/CMOS 集成芯片是否損壞），幫助養(yǎng)成學生良好的測試習慣及規(guī)范。

2.6 創(chuàng)新并落實虛擬仿真技術在數(shù)電實驗中的應用

“雙實一虛”模式全面提升和強化了虛擬仿真技術在實驗方案設計、創(chuàng)新思路引導上的比例和地位，同時為常規(guī)的電路仿真結(jié)果賦予了雙重內(nèi)涵：玩具式邏輯狀態(tài)的直觀效果展示及面向數(shù)據(jù)及邏輯時序的嚴謹分析。將虛擬仿真引入數(shù)電實驗的多數(shù)高校大量采用數(shù)碼管、蜂鳴器、開關等直觀的目標器件進行初態(tài)設置及結(jié)果展示，對于吸引學生參與實驗幫助很大。但辯證來看，如果缺乏認真務實的波形觀測與分析，容易將數(shù)字電路仿真與傳統(tǒng)的數(shù)電實驗操作簡單等同。鑒于此，教學團隊鼓勵學生在實驗仿真環(huán)節(jié)廣泛運用軟件中的邏輯分析儀、字發(fā)生器（Word Generator）、波形觀察窗等虛擬儀器及工具記錄實驗過程的狀態(tài)變化，同時引導學生分析實驗現(xiàn)象及內(nèi)在原因，找出實驗方案中的錯誤與不足，除了知道實驗結(jié)果“是什么”，更需領會實驗過程的“為什么”[15]。

仿真在數(shù)電實驗中的地位及作用毋庸置疑，但指導教師也會反復提醒學生：單純或過分依賴虛擬仿真軟件，并不能全面解決真實實驗過程中可能遇到的各種問題。實驗方案的優(yōu)劣及正確與否，真實的硬件電路能夠更加全面、客觀地佐證。從仿真結(jié)果到硬件實物之間只有經(jīng)過科學客觀的轉(zhuǎn)換，才能實現(xiàn)二者的無縫對接。

3 結(jié)語

當前，國內(nèi)多數(shù)高校普遍壓縮了本科階段的總學分，“雙實一虛”的數(shù)電實驗改革探索較好地順應了這一趨勢。學生在經(jīng)歷了實驗次數(shù)縮減、實驗強度調(diào)整、實驗內(nèi)涵進一步豐富的體驗后，在實驗課程結(jié)束時，人才培養(yǎng)目標絲毫沒有降低，還能取得明顯的工程實踐能力提升、知識體系鞏固，逐步消除電專業(yè)本科生理論與實踐脫節(jié)的普遍現(xiàn)象。