数字电子实验教学实践研讨
数字电子实验教学实践研讨 “数字电子技术”是电气、电子、信息类等专业的核心 基础课之一，是一门理论性、实践性很强的课程。其对学生 后续专业课程的学习及毕业后从事该领域的工作将产生极 大的影响，它也是许多相关专业硕士研究生入学考试指定的 考试科目之一。因此加强该课程的实验教学，培养学生的实 践能力与创新能力，是高校理工科专业教学的重要任务。“数字电子技术”实验课的主要任务是：指导学生掌握相关 知识和技能，训练学生设计电路、制作电路、调试电路的基 本技能，培养学生科学的思维方法、创新意识和创新能力。
但是随着各类新型可编程器件如FPGA、CPLD、ISP，以及基 于EDA仿真软件等的出现，数字电子技术实验的教学模式发 生了重大改变，学生的创新能力在此新背景下显得不足。因 此，实验教学的创新性也不得不进行与时俱进的改革。文章 从实验教学内容、实验教学手段、实验具体实施、实验考核 和成绩评定等方面对该课程的实验教学改革提出几点建议。
1实验教学内容和项目方面的改革 1.1扩展和丰富基础验证性实验 基础验证性实验是针对某知识点而设计的实验，是培养 基本的实验技能所必需具有的，是其它层次实验教学模式的 基础。数字电子技术共开设了8个验证性实验，例如“TTL和 CMOS集成门的逻辑功能与参数测试”、“组合逻辑电路的设 计”、“集成触发器（RS、D、T、JK）的逻辑功能测试”、“单稳态触发器与施密特触发器”、“555集成定时器及其 应用”、“A/D、D/A转换器原理及应用”等等。通过基础验 证性实验，可以让学生掌握基本的实验理论、数据处理分析 方法、规范实验操作、电路故障查找和排除方法，并熟悉万 用表、示波器、信号发生器和逻辑分析仪等常规实验仪器、 装置的使用方法，熟悉典型实验的基本原理、方法及实验过 程，并学会撰写实验报告。以前的数字电子技术实验课只进 行TTL和CMOS数字集成器件逻辑功能的测试，而现在增加了 TTL和CMOS数字集成器件的参数测试，其中包括高电平输入 电流和低电平输入电流、高电平输出电源电流和低电平输出 电源电流、平均传输延迟、电压传输特性、扇出系数等参数。
特别是在进行电压传输特性曲线的绘制时，可以让学生了解 集成器件的输入与输出特性之间的非线性关系，从而进一步 区分电压和电平的概念关系。实验中用到了示波器、万用表、 信号发生器等电子仪器，实验学时也由原先的2个学时增加 到4个学时，可以使学生熟练掌握常用电子器件和电路的主 要参数、技术指标的测试方法以及常用电子仪器的使用方法， 为以后的设计性综合性实验打下坚石的基础[1]。
1.2加大设计性综合性实验 设计性实验是针对某章内容而设计的实验，它是培养学 生在工程设计、工程制作和组织管理等方面的创新能力。在 以前的实验教学中，缺少了设计性实验，同时也就缺少了对 学生创新能力的培养。我们的许多毕业生在找工作的应聘过程中一个普遍的感受，就是自己的工程实践经验与用人单位 的要求相差甚远，这个问题说明我们的实验教学在培养学生 实际动手能力和积累实践经验方面存在着严重的欠缺。因此， 在进行设计性实验时，例如，交通信号灯控制电路设计、汽 车尾灯控制电路、60S计数器实验等，实验教师只给出实验 目的和实验的基本要求，由学生自己设计实验方案、实验线 路、选择实验仪器设备，经指导教师签字同意后才能予以实 施，整个设计调试过程完全由学生自己掌控。实践证明，设 计性实验与实际应用联系的更加紧密，可以激发学生学习的 兴趣，更容易提高学生的技能。
综合性实验是针对整门课程而设计的实验。综合性实验 着重于培养学生运用理论知识和工程观念分析问题，并解决 实际问题的能力，它涉及到多个基本理论教学单元的内容。
综合性实验着重于总体构思和相互之间的联系，以培养独立 分析问题和解决问题的能力为根本目的，可以起到把所学到 的知识融会贯通的作用。在实验教学中应该把培养学生独立 思考和分析、解决问题的能力，激发他们的创造力，提高综 合素质的目的放在首要位置。因此，所有实验均是以学生动 手能力为主，以教师辅导为辅。教师在实验过程中，只给出 学生设计要求和简单的设计原理和思路，中间的过程让学生 自己充分发挥，并且要求学生自己去查找资料，并自己设计 电路内容。对于同一个实验可有多种实行方案，这样就训练 了学生用所学到的书本上的知识来解决实际问题的能力，为学生的后续专业课程的学习打下坚实的基础。在本次实验教 学改革中增设了“彩灯控制电路”、“四人抢答电路”、“电 子秒表”等几个综合性的实验。这些综合性实验的开设，可 以将数字电子技术中的时序逻辑电路、组合逻辑电路、A/D 及D/A转换、施密斯触发器、555定时器的应用、可编程逻辑 器件等知识点很好地综合在一起，大大地激发了学生动手的 兴趣，为以后设计创新性实验打下了良好基础。例如在设计 电子秒表实验中，要求使用基本RS触发器、555时序电路及 计数、译码显示电路来进行设计，这一实验涉及到了四个基 本理论单元的内容。而在设计抢答器电路时，则要求用数码 管来显示结果，而这一实验涉及到了三个基本理论单元的内 容：组合逻辑电路、触发器和555定时器。
1.3延伸性实验阶段 我们面向全院学生开设了电子系统综合设计课程，并结 合“高校挑战杯大赛”、“‘飞思卡尔’杯全国大学生智能 汽车竞赛”、“全国大学生电子设计大赛”等比赛，将数字 电子技术和模拟电子技术以及单片机等几方面内容结合起 来，进一步将先进的CPLD/FPGA器件和EDA技术应用到电子设 计系统中，让学生学会电子系统综合设计、电子系统自动化 设计及仿真、CPLD/FPGA数字应用系统设计等几个现代电子 系统综合设计方法[2]。近几年来，我院参加全国“飞思卡 尔”杯智能汽车竞赛的成绩逐年提高。
2实验教学手段方面的改革2.1引入EDA技术 EDA技术的出现不仅为电路设计提供了一种崭新的测试 模式，而且它所提供的实验环境更是电工电子类实验教学中 的全新的模式。EDA教学实验环境是一个虚拟模式下的实验 环境，是一个理想化的实验环境。EDA不仅提供了丰富的分 立元器件和集成元件，而且还提供了最先进的仪器设备。并 且使用它时，不会出现元器件损坏、接触不良等这些不良因 素。况且对于抽象晦涩的变化过程，还可以通过波形、图像 等形式直观的、形象的、生动的显示出来，既便于学生理解， 又节省了经费。以前的实验教学通常都是以教师为主。教师 从实验目的、实验步骤、实验操作中可能出现的问题，都逐 一对学生进行详细讲解，然后要求学生按照教师的讲解步骤 进行实验操作。这种教学模式大大地限制了学生的主观能动 性和创造性。传统的实验手段与先进的EDA技术相结合，特 别是在进行综合性设计性实验前，先让学生借助于EDA技术 中的Multisim等仿真软件，对自己设计好的线路在计算机上 先进行调试、模拟仿真，电路的仿真结果如果正确，再在实 验室中连接出实际的硬件电路。可以达到事半功倍的效果， 这样，还可以避免由于设计错误而致使实验元器件损耗、缺 少实验仪器的弊端。大大的提高了学生的实验效率，激发了 他们的创新能力。如果有兴趣，还可以将该仿真软件拿到电 子工艺实习室，进行电路板的制作。最后，可以把自己所设 计的电路做成电子成品[3]。对于验证性实验，也可以先让学生利用仿真软件Multisim中的虚拟仪器对实验结果进行 仿真与测试，就可以达到预期的实验室教学效果。几年来的 改革实践证明，将仿真软件应用到实验教学中，不仅加深了 学生对基本概念、基本原理的理解，还节省了实验时间、提 高了实验效率，并且弥补了实验所用元器件和实验仪器缺乏 带来的不足，避免了对实验器材的损耗。这些鲜明的优越性， 将使用仿真软件，成为以后实验室教学的必然趋势。
因此，应该建设一个专用的数字电子技术仿真实验室， 使仿真软件的辅助教学作用，在实验室教学中充分地发挥出 来。让学生在完成设计性综合性实验前，先仿真实验结果是 否正确。然后再让学生到实验室进行实际的实验室操作。只 要做出了正确的仿真结果，即便搭建出来的电路系统比基础 实验复杂得多，只要学生认真细心，就一定能得到正确的实 验结果[4]。这样，就可以使实验达到很好的教学效果。
2.2成立创新实验室和电子设计兴趣小组 为了因材施教，为能够有进一步发展的学生提供良好的 学习环境和创新实验场所，培养学生的团队协作精神、培养 出具有创新精神和领导才能的优秀人才，我们还成立了创新 实验室和电子设计兴趣小组。在创新实验室里，可以让学生 自拟实验项目，然后在实验室教师的指导下，开展专题研究 型和设计型实验，使学生把课堂上所学习到的基本概念和基 本方法理解和掌握的更加透彻，并结合校内外创新项目、电 子设计大赛‘、飞思卡尔’杯全国大学生智能汽车竞赛等活动，充分地发挥出学生学习的自主性、创造性，充分地展现 出学生内在的创造力与学习力，极大地提高了学生学习知识 的兴趣,培养了学生的实践动手能力[5]。
3实验的具体实施 实验的具体实施可以分为预习设计、操作验证、整理总 结等三个阶段[6]。预习设计阶段，对于验证性实验，主要 目的是在网络课件上提前学习各种仪器仪表的使用，芯片的 测试方法、工作条件；
对于综合性实验，要求能根据大纲进 行简单的计算分析，熟悉所需知识，并能初步用EDA软件进 行分析设计；
对于设计性实验则要求比较高，除过上述操作 外还需进行方案设计、评估。因为预习设计是整个实验的基 础，它的优劣会直接决定实验效果的好坏，所以对于任何层 次的实验都必须有相应的预习实验报告，并将其列为重点考 核对象。对于实验操作阶段，主要锻炼学生的实际操作能力、 故障查找和排除能力，以及对方案的验证能力。因为学生对 实验相对生疏，所以故障率较高，分析也没有经验，在这一 阶段指导教师的任务就比较重，要引导学生掌握故障分析方 法，而不是一切包办。教会学生如何正确的记录实验数据， 并正确分析实验现象。对于整理总结阶段，要求学生写出分 析总结报告，包括对数据的处理、分析、总结以及心得体会 等。
4实验考核和成绩评定 科学地对实验效果进行评价，对学生的积极性、创新性、公平性有着至关重要的作用。根据多年的经验和不断摸索、 改进，我们得出一套行之有效的考核机制。其主要指标有 [7]：实验预习、实验纪律和实验态度、实验过程、实验结 果，实验报告和期末考试成绩等。实验成绩以平时实验成绩 和期末考试成绩来综合评定，其中平时实验成绩占70%，期 末考试成绩占30%。信息通信马晓虹：数字电子技术实验教 学的创新性研究与探索平时实验成绩部分评定方法分配如 下：学生实验预习报告占15%，主要看预习是否认真、到位；
实验纪律占10%，包括是否迟到、早退、无故旷课等现象， 实验中有无大声喧哗、是否爱护实验器材等方面；
实验过程 和结果占60%，具体可根据做实验的内容，是否做提高部分， 创造性发挥部分如何等来分配；
实验报告占15%，主要根据 报告的推理和参数计算的正确性，实验数据的完备性以及数 据分析，回答问题的正确性等方面来分配。
5结语 作为省级实验教学示范中心，以提高学生的整体实验素 质为目标，在实验教学方面做出了大胆的创新和改革，学生 上实验课的积极性和动手能力明显提高，分析、解决实际问 题的能力也显著增强。2010年我校学生在第五届“飞思卡尔” 杯全国大学生智能汽车竞赛西部赛区的比赛中，共获得1个 一等奖、3个二等奖、2个三等奖，1个全国二等奖。2011年 我校学生在第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛 西部赛区的比赛中，共获得4个一等奖、1个二等奖、1个优胜奖，全国3个一等奖的好成绩。实践证明，实验教学改革 总体达到了预期目的。