葉成彬

(廣州城市理工學(xué)院 電氣工程學(xué)院， 廣東 廣州 510800)

0 引言

數(shù)字電子技術(shù)是電氣、電信、機(jī)械等工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其理論知識在工科專業(yè)中占有重要的基礎(chǔ)地位，是一門理論聯(lián)系實際非常緊密的課程[1]。該課程實驗教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實踐能力及創(chuàng)新意識有著十分重要的作用[2]。

針對某校數(shù)字電子技術(shù)實驗課程存在的問題，為提高實驗教學(xué)質(zhì)量，根據(jù)實際情況提出了一種漸進(jìn)式實驗教學(xué)改革方案，構(gòu)建以培養(yǎng)學(xué)生獨立自主學(xué)習(xí)能力、應(yīng)用實踐能力和創(chuàng)新能力的實驗教學(xué)體系。引進(jìn)Multisim14.0仿真軟件，要求學(xué)生在實驗前對相關(guān)實驗電路進(jìn)行建模和仿真，有助于學(xué)生對理論知識的理解和為實驗課程中實驗平臺驗證提供一定的動手實踐基礎(chǔ)能力[3]。教學(xué)方案實施過程中，實驗教師嚴(yán)格要求學(xué)生按照實驗預(yù)習(xí)要求文件做好課前預(yù)習(xí)，以保證學(xué)生預(yù)習(xí)質(zhì)量，彈性合理調(diào)整實驗課程各階段時間長度，保證學(xué)生有分析問題、解決問題的時間。采取小組合作預(yù)習(xí)和共同實驗、知識分享，促進(jìn)學(xué)生之間的交流、培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)合作精神[4]。

1 目前實驗教學(xué)存在問題

1.1 實驗前預(yù)習(xí)效果不佳

數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)和實驗教學(xué)分別由不同老師授課。實驗預(yù)習(xí)報告要求學(xué)生在實驗前完成，實驗授課前交予老師檢查。由于沒有督促，沒有明確的預(yù)習(xí)要求，很多學(xué)生都是臨實驗前匆匆完成預(yù)習(xí)報告，對實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容及實驗操作一無所知[5]。

1.2 實驗參與性差

目前實驗以分組教學(xué)模式為主，小組共同完成實驗任務(wù)，目的是培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作能力。但對于一些演示性實驗和驗證性實驗，往往具有成熟、規(guī)范的操作流程，實驗過程沒有鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊合作能力，也沒有做到個性化人人參與，分組實驗?zāi)Ｊ椒炊屢徊糠謪⑴c度不高的學(xué)生的學(xué)習(xí)過程流于形式、無所收獲[6]。

1.3 學(xué)習(xí)興趣低下

因理論授課時間限制，任課老師無法對相關(guān)課外應(yīng)用知識展開講解，從而導(dǎo)致學(xué)生對所學(xué)知識應(yīng)用場景嚴(yán)重缺失，不知學(xué)其所用。同樣地,實驗教學(xué)過程注重驗證性操作及簡單的數(shù)據(jù)記錄，忽視了學(xué)生參與實驗的目的，使學(xué)生無所適從不知為何學(xué)、學(xué)何用，跟隨教學(xué)計劃完成相應(yīng)的課程聽講、做好作業(yè)、不犯錯誤，順利完成學(xué)業(yè)即可。

1.4 實驗成績評分標(biāo)準(zhǔn)良莠不齊

實驗成績是學(xué)生學(xué)業(yè)成績考核評級的重要組成部分之一，更是反映學(xué)生專業(yè)實踐能力發(fā)展?fàn)顩r。目前作者負(fù)責(zé)的數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)和實驗報告評分工作，因同一門實驗課程存在多個班級上課和多個學(xué)院多位老師授課，相互沒有交集，實驗授課和實驗報告評分各有標(biāo)準(zhǔn)。因沒有相對具體的評分指導(dǎo)性文件，有時僅憑實驗教師個人撰寫的考核標(biāo)準(zhǔn)確定實驗成績，難免或因缺乏科學(xué)性、完整性等有失偏頗。從而造成部分實驗報告批閱成績隨意性較大，成績差異往往沒有實指，或?qū)嶒灣煽兏揪筒粫{入學(xué)生理論課程總評成績[7]。

2 漸進(jìn)式實驗教學(xué)改革思路和方法

對數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)改革目的是讓學(xué)生掌握一般數(shù)字邏輯電路的特點，能夠應(yīng)用數(shù)字電路的理論和相關(guān)元器件進(jìn)行電路設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的動手和創(chuàng)新能力。學(xué)生對問題的認(rèn)知,對一門課程的學(xué)習(xí)是一個由淺入深的過程。學(xué)生實驗?zāi)芰?、?chuàng)新能力和科學(xué)思維的提升是一個循序漸進(jìn)的過程。一個科學(xué)合理的實驗教學(xué)體系,對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)將具有深遠(yuǎn)的意義[8]。

“自上而下”[9]“OBE”理念[6]“有限元”多元融合模式[10]等，皆與相關(guān)實驗教學(xué)平臺、課程內(nèi)容、學(xué)生素質(zhì)相匹配而定。某校以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為根本目標(biāo)，結(jié)合學(xué)生綜合素質(zhì)、實驗教學(xué)平臺及實驗教學(xué)定位，調(diào)研學(xué)習(xí)多所學(xué)校的實驗教學(xué)改革思路和方法，制定以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為宗旨的漸進(jìn)式實驗教學(xué)改革思路。

本實驗教學(xué)改革思路主要以驗證型實驗為輔、設(shè)計型實驗為主、進(jìn)而提升實驗綜合分析能力。此方案以課堂隨機(jī)抽查方式檢驗學(xué)生是否在課外時間自主完成驗證型實驗，大大縮短其在課堂時間的分配比例，增加了設(shè)計型實驗驗證和實驗綜合分析教學(xué)時間。

2.1 明確實驗預(yù)習(xí)要求及實驗成績評分標(biāo)準(zhǔn)

對學(xué)生實驗報告的課前預(yù)習(xí)處做出相應(yīng)的標(biāo)注和提示，并在實驗前一周通過班級學(xué)習(xí)委員傳達(dá)實驗預(yù)習(xí)報告預(yù)習(xí)要求和實驗過程需遵守的紀(jì)律，比如：未按要求完成實驗預(yù)習(xí)的學(xué)生不得參加當(dāng)次實驗課程;做完預(yù)習(xí)但上課遲到者扣除當(dāng)次實驗課程所涉及的預(yù)習(xí)報告成績10分;做完預(yù)習(xí)且準(zhǔn)時到達(dá)實驗課室者不扣分。

明確評分標(biāo)準(zhǔn)：每個實驗報告總分為100分，根據(jù)實驗測試難易程度和考核學(xué)生綜合能力實驗項目進(jìn)行分?jǐn)?shù)劃分，最后在課堂上與學(xué)生解釋分?jǐn)?shù)劃分理由，讓學(xué)生了解實驗成績構(gòu)成細(xì)節(jié)，提高學(xué)生對實驗課程重視程度。以數(shù)字電子技術(shù)實驗21“簡單組合邏輯電路的設(shè)計”為例，實驗報告預(yù)習(xí)要求及分?jǐn)?shù)劃定如圖1所示。

其中,圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)、圖1(d)分別為實驗21實驗報告的第一、第二、第三、第四頁，每一項實驗內(nèi)容均劃分出明確的分?jǐn)?shù)，以做到評分相對客觀公正，同時讓學(xué)生了解相關(guān)實驗內(nèi)容的重要性。而對需要在實驗課前做好預(yù)習(xí)的實驗內(nèi)容做出相應(yīng)的文字提醒，以督促學(xué)生正視實驗課前預(yù)習(xí)。

(a) 實驗報告第1頁

(b) 實驗報告第2頁

(c) 實驗報告第3頁

(d) 實驗報告第4頁

課前預(yù)習(xí)和驗證型實驗只需學(xué)生按照預(yù)習(xí)要求完成即可，主要起到督促學(xué)生課前自主在線學(xué)習(xí)、使用Multisim14.0仿真軟件對驗證型實驗進(jìn)行仿真測試等，因此該環(huán)節(jié)分?jǐn)?shù)占實驗報告總分約30%的比例。

設(shè)計型實驗要求學(xué)生對實驗內(nèi)容進(jìn)行分析、計算、電路設(shè)計、仿真驗證及動手實驗驗證等，涉及知識較廣、難度較大、理論和實踐銜接度較高，此環(huán)節(jié)對學(xué)生學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)較為重要，因此該環(huán)節(jié)分?jǐn)?shù)占實驗報告總分約40%的比例。

課后習(xí)題及實驗數(shù)據(jù)分析要求學(xué)生熟悉數(shù)字電子技術(shù)相關(guān)理論知識，了解實驗過程所用是數(shù)字集成芯片具備的功能，掌握集成芯片應(yīng)用設(shè)計能力，分析實驗測試數(shù)據(jù)以驗證相關(guān)理論設(shè)計，做出自身對實驗過程及相關(guān)應(yīng)用設(shè)計的想法。該環(huán)節(jié)分?jǐn)?shù)占實驗報告總分約30%的比例。

2.2 建立漸進(jìn)式實驗教學(xué)體系

2.2.1 夯實驗證型實驗基礎(chǔ)能力

驗證型實驗是對專業(yè)理論知識進(jìn)行驗證和實踐，以加深學(xué)生對基礎(chǔ)知識的認(rèn)知和理解，側(cè)重對學(xué)生實驗基本操作和技能培訓(xùn)。引進(jìn)Multisim14.0仿真軟件對簡易邏輯芯片74LS00、74LS08等，進(jìn)行仿真驗證并記錄相關(guān)測試數(shù)據(jù)，從而間接引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識、新工具。實驗教師在Multisim14.0軟件搭建好相關(guān)驗證型實驗電路仿真工程文件、編寫仿真工程文件操作流程說明和實驗報告預(yù)習(xí)要求等，通過學(xué)習(xí)委員和微信公眾號向參與實驗的學(xué)生傳達(dá)。

在實驗課程中教師隨機(jī)抽查學(xué)生上臺現(xiàn)場操作相關(guān)實驗仿真文件進(jìn)行運行仿真、測試數(shù)據(jù)及提問，以此督促學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)和驗證型實驗仿真工作，提高學(xué)生對實驗課前預(yù)習(xí)的重視程度。

2.2.2 培養(yǎng)設(shè)計型實驗方案擬定及設(shè)計思維能力

設(shè)計型實驗對學(xué)生靈活應(yīng)用理論知識設(shè)計實驗項目和方案，以幫助其理解和掌握專業(yè)知識，重點培養(yǎng)學(xué)生研究方法、思維能力和設(shè)計能力[11]。設(shè)計型實驗需學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，其中涉及分析題目要求、繪制真值表、邏輯表達(dá)式、卡諾圖、實驗電路圖等，并建議有能力的學(xué)生盡可能在Multisim14.0仿真軟件上對實驗電路圖進(jìn)行仿真驗證，為課堂實驗做好充分準(zhǔn)備。

實驗課程中教師依次講解設(shè)計型實驗所涉及的集成芯片用戶手冊、基本功能、題目要求、題意真值表、題意邏輯表達(dá)式、題意卡諾圖、實驗電路圖、實驗電路驗證步驟等。然后以2個學(xué)生為一組，安裝預(yù)習(xí)其設(shè)計的實驗電路在實驗平臺上進(jìn)行接線測試、觀察實驗現(xiàn)象、記錄實驗數(shù)據(jù)，實驗教師對完成實驗的小組進(jìn)行核查，詢問學(xué)生設(shè)計思維，了解學(xué)生的理論知識基礎(chǔ)，從而培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的團(tuán)隊精神，間接督促每個學(xué)生積極參與小組預(yù)習(xí)。

2.2.3 提升實驗過程綜合分析能力

一般情況下，學(xué)生實驗課后習(xí)題沒有教師進(jìn)行輔導(dǎo)，大部分學(xué)生應(yīng)付性地在網(wǎng)上查找答案、互相抄襲，更有甚者實驗報告只記錄實驗數(shù)據(jù)而已。為了實驗課程能起到良好的效果，學(xué)生在課堂中完成設(shè)計型實驗后，實驗教師對本次實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行核對、分析，串聯(lián)本次實驗過程對課后習(xí)題進(jìn)行講解，仿真演示本次實驗部分集成芯片應(yīng)用電路，描述實用意義。

為提高學(xué)生實驗動手能力，實驗教師以2-3個實驗故障為例，分析故障原因、尋找故障點、解決故障點，從而在潛移默化中不僅培養(yǎng)了學(xué)生實驗故障分析能力，還授予學(xué)生分析問題、解決問題的思維套路。

數(shù)字電路實驗授課對象均為大一學(xué)生，此階段學(xué)生知道該課程為專業(yè)基礎(chǔ)課，卻并不知道現(xiàn)在所學(xué)是否有所用處，因此引導(dǎo)學(xué)生自行制作應(yīng)用實例電路、瀏覽電子類設(shè)計論壇、參加電子設(shè)計競賽等尤為重要。

2.3 搭建基于微信公眾號的實驗教學(xué)資源

為給學(xué)生課前預(yù)習(xí)提供更多的知識點和便利性，提升漸進(jìn)式教學(xué)體系效果，借助先進(jìn)的信息技術(shù)建設(shè)數(shù)字化實驗教學(xué)資源。根據(jù)相關(guān)實驗內(nèi)容和MOOC教學(xué)的特點，將一個實驗內(nèi)容拆解為多個獨立的知識點，如74LS00、74LS08等數(shù)字邏輯集成芯片功能(Multisim14.0仿真和實驗平臺)驗證、設(shè)計型項目要求及原理說明等，錄制時長5-10分鐘的教學(xué)短視頻，連同實驗預(yù)習(xí)要求、實驗報告模板及相關(guān)拓展應(yīng)用設(shè)計資料上傳至微信公眾號，以此打造移動式學(xué)習(xí)環(huán)境。

3 漸進(jìn)式實驗項目實例

以本校數(shù)字電子技術(shù)實驗21“簡單組合邏輯電路的設(shè)計”為例，說明驗證型實驗、設(shè)計型實驗和綜合分析的漸進(jìn)式設(shè)置[12]。

3.1 驗證型實驗——74LS00、74LS04

數(shù)字邏輯集成芯片74LS00和74LS04分別為4組2輸入端“與非”門、6組1輸入端“非”門，在驗證型實驗中需要學(xué)生在Multisim14.0仿真軟件中分別對兩個集成芯片進(jìn)行仿真測試并記錄數(shù)據(jù)，仿真圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 集成芯片74LS00仿真圖

圖3 集成芯片74LS04仿真圖

因教學(xué)計劃中沒有單獨安排課程教授學(xué)生Multisim14.0仿真軟件的使用，實驗課程中也不安排驗證型實驗在實驗平臺上進(jìn)行驗證，為了降低學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)門檻，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性，達(dá)到由淺入深的學(xué)習(xí)效果，加深學(xué)生的直觀印象，我們將Multisim14.0基礎(chǔ)使用說明和實驗平臺上的實驗操作錄制成簡短的教學(xué)視頻在微信公眾號平臺上進(jìn)行共享。

3.2 設(shè)計型實驗——數(shù)值比較器電路

實驗題意——A、B皆為一位二進(jìn)制數(shù)，L1、L2、L3為3個獨立的指示燈。當(dāng)AB時,指示燈L3亮。使用74LS00“與非”門和74LS04“非”門芯片實現(xiàn)以上功能。學(xué)生需根據(jù)題意自行繪制出真值表、表達(dá)式和實驗電路圖，能力強(qiáng)的學(xué)生可以在Multisim14.0仿真軟件上自行搭建電路圖進(jìn)行仿真測試。

根據(jù)題意,真值表如表1所示。

表1 數(shù)值比較器真值表

表達(dá)式如式(1)—式(3)。

(1)

(2)

(3)

以“非”門、“與非”門的形式繪制實驗電路圖，如圖4所示。

圖4 數(shù)值比較器實驗電路圖

設(shè)計型實驗相對簡易,驗證型實驗更為復(fù)雜，對學(xué)生的理論知識應(yīng)用要求更全面，提升學(xué)生的設(shè)計思維，同時學(xué)生可以在Multisim14.0仿真軟件上自行搭建實驗電路進(jìn)行仿真測試，為實驗平臺驗證提供參考數(shù)據(jù)，間接加深學(xué)生對數(shù)字電路理論知識的理解。

3.3 綜合分析

學(xué)生完成設(shè)計型實驗之后，對數(shù)字邏輯“與非”門和“非”門集成芯片基本功能有了一定的認(rèn)識，為加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，實驗教師需要借助實驗數(shù)據(jù)和課后習(xí)題以逆向思維講解集成芯片的功能及意義。

為提高學(xué)生靈活應(yīng)用設(shè)計的能力，通過一些現(xiàn)實的應(yīng)用實例進(jìn)行講解、分析，如基于“與非”門的搶答器、觸摸延遲燈、多諧振蕩閃爍燈、方波發(fā)生器、裁判表決器等，同時講解應(yīng)用實例實驗電路在Multisim14.0仿真軟件中的搭建、仿真過程，且通過微信公眾號等渠道將應(yīng)用實例相關(guān)資料分享給學(xué)生。

為拓展學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技知識，向?qū)W生介紹AltiumDesigner電路板繪制軟件、電路板焊接學(xué)習(xí)方法、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目、電子設(shè)計大賽等。展示應(yīng)用實例在AltiumDesigner電路板繪制軟件上所繪制的原理圖、PCB圖和制作出來的實驗作品。介紹歷年學(xué)生參加各類學(xué)術(shù)科技競賽的作品和競賽涉及知識點、應(yīng)用能力要求、團(tuán)隊合作方法等，以此激勵學(xué)生積極參加課外學(xué)術(shù)科技競賽活動。

4 總結(jié)

根據(jù)本校應(yīng)用型人才培養(yǎng)特點，結(jié)合學(xué)生綜合素質(zhì)、實驗教學(xué)平臺及實驗教學(xué)定位等實際情況，建立漸進(jìn)式教學(xué)體系，引進(jìn)輔助工具、新型學(xué)習(xí)平臺、豐富教學(xué)資源、細(xì)化學(xué)生管理，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，開拓學(xué)生的應(yīng)用視野，增加學(xué)生的主動性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和團(tuán)結(jié)精神。