数字电子技术自主设计性实验教学探索与实践
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作者:申双琴 蒋存波
摘 要 本文针对数字电子技术实验课程传统的教学模式，为树立以学生为中心、能力培养为核心的教学理念，以及培养学生的自主探索和自主学习能力，结合数字电子技术的发展及专业特点和现代化教学手段，探索了在实验教学环节中增加自主设计性实验，并介绍了自主设计性实验的特点及实践方法，达到激发学生实验兴趣，提高实践操作能力和创新能力的目标，同时促进教师提升知识素养，实现教学相长。
关键词 数字电子技术 自主实验 教学模式 积极性
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.07.026
Exploration and Practice of Independent Design Experiment
Teaching of Digital Electronic Technology
SHEN Shuangqin， JIANG Cunbo
（School of Information Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004）
Abstract In this paper， aiming at the traditional teaching mode of digital electronic technology experiment course， in order to establish the teaching idea of student-centered and ability-training as the core， and to cultivate students' ability of independent exploration and self-learning， combining with the development of digital electronic technology and professional characteristics and modern teaching methods， the author explores how to add self-designed experiments in the experimental teaching link， and introduces self-determination. The characteristics and practical methods of designing experiments can stimulate students' interest in experiments， improve their practical and operational abilities and innovative abilities， and promote teachers' knowledge literacy， so as to achieve mutual benefits in teaching.
Keywords digital electronic technology; independent experiment; teaching mode; enthusiasm
0 引言
電子计算机和网络化迅速发展的信息社会，知识更新迭代的速度越来越快，同时也为现代化教学提供了新的途径和有力的媒介。为适应新时代应用型人才的培养目标，树立“以学生为中心”、“以能力培养为核心”的教学理念，激发学生兴趣，提升独立思考问题、解决问题的能力以及自主探索、自主学习的能力，对数字电子技术自主实验教学进行了探索与实践。 1 实验课程的现状及改革模式简介
数字电子技术传统的实验教学环节仍沿用一贯的“教师为主，学生为辅”，实验课堂上教师讲解实验目标、原理、注意事项等，学生根据教师讲解，搭建电路、记录实验数据或实验现象，最后提交实验报告。实验过程中学生处于被动状态，[1]教学内容单一且更新周期长，不利于培养学生的主动学习、主动探索的精神，亦不利于任课教师自身知识素养的拓展和提升。而新形势下要求改变以往的“以教师为中心”为“以学生为中心”，因材施教的教学理念。传统的实验教学模式已不能满足新形势下的教学要求。
本校数字电子技术实验为独立开设，实验项目分为基础型、综合型和设计型三个层次开展。[2]其中自主设计性实验安排在主要授课内容结束之后，学生根据自身兴趣及自身对知识的掌握程度，综合所学内容，结合实验室器材及设备的情况，自主设计或从教师拟定的题目中选择一个课题。学生利用课外时间自主选题，自行规划和安排实验进程，最后由教师验收并根据学生的设计方案、搭建电路及故障排除能力、实验报告质量等评定成绩。
2 自主设计性实验教学实践过程
2.1 自主设计性实验特点及内容设置
自主设计性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关知识的一种探索性实验。[3]是以学生为主，教师为辅，学生根据自身掌握知识程度及兴趣对实验项目的内容和方法自主设计，是一种培养学生自主学习、探索及创新能力的新型教学模式。
设计性实验的选题应紧密围绕教学大纲，实验项目兼具综合性、实用性和先进性的特点。 [4]选题要有依据，题材不能太泛又不能拘泥于课本，难度太大易打击学生的信心，太简单又不具挑战性，需在已掌握的基本理论知识和实验操作技能的基础上选题。与科研相结合的实验选题，可以让学生了解本专业所从事的研究方向、发展情况，开阔学生视野，增强学生对专业的兴趣，使学生潜质得到充分发挥。[5]与生产实践相结合的选题，能够使学生切身体会到所学知识不仅仅停留在理论层面，而是应用到实际生活中解决实际问题，学以致用，激发学生学习兴趣，增加学习热情。
2.2 确定实验题目
这一阶段学生根据最新的教学大纲及自身知识结构层次，查阅大量文献、资料来确定实验题目及实施方案，并安排计划进程。学生可从互联网及本校图书馆、各种电子设计类书籍获得资料经整理后，确定实验题目。也可以从教师提供的设计类题目中选择，教师的教学和实践经验丰富，对题目的难度、涉及到的知识结构层次有比较准确的把握，再结合科研，具有一定的前瞻性。也可以以实际生活中应用的实例为题目，通过查阅资料分析可行性，确定实验题目。这一阶段，教师对所有选题进行并组织学生讨论，引导学生分析课题的可行性，根据学生个人认知水平给出建议调整课题难度，避免后续实验的盲目性。
2.3 方案实现
设计性实验在学生已掌握基本理论知识、数字电路的基本设计方法和实验操作技能后布置，结课时验收，跨度约四个教学周，尽可能一人一组，让每个学生都有机会得到锻炼。课题确定后，学生把自己的设计思想及初步设计电路与老师进行探讨，防止出现原则性错误。由于每次实验课实验项目都是采取验收的形式并且登记实验部分的成绩，课上对每个学生的课堂表现也有相应的记录，所以任课教师对班级每个同学的知识认知情况有大致的了解，故结合学生实际情况给出建议，学生修改并完善设计方案和设计电路，具体实施过程分为两个阶段。
第一阶段：前期准备工作。学生根据题目要求及设计指标，查阅资料理解基本原理，绘制原理框图，根据原理框图将电路细化为电路功能子模块，确定模块之间的信号传输等，并计算具体的电路参数。然后自学并使用Multisim 仿真软件进行电路设计和电路功能分析、测试，直到设计出符合预期要求的数字电路。
利用仿真软件可以完成从理论到原理图捕获与仿真，再到测试的完整的综合设计流程。Multisim软件平台具有丰富的元器件库及电路仿真设计中常用的实验仪器如万用表、示波器、函数信号发生器、逻辑分析仪等。学生可以任意选用并尝试多种不同的连接方式搭建电路，反复地试验，还可以在不同的电路节点接入示波器、逻辑分析仪等检测信号，对电路的观察和分析非常直观方便。
采用这种先仿真，后搭建硬件实物电路相结合的实验教学模式，避免了实验室提供的元器件品种、规格、数量不足的限制，也避免了实物硬件电路接线不当引起器件或者实验箱的损坏，减少对实验耗材的消耗，[6]同时也极大地提高了实验效率，节省了学生的时间。由于缩短了整个课题进程，因此在一定程度上增加了学生的成就感。这一阶段跟以往的指导书的实验内容和实现方式不同，学生就仿真软件的学习和元器件选择、参数估算任何一个环节都可以与任课教师探讨，而任课教师自身也需要熟练的掌握该软件及仿真设计和测试类的方法。实践证明，学生在后续的电子电路类实验或实习过程中已经养成先仿真后实物接线的良好习惯。
第二阶段：实验验证。为了便于后期电路调试，我们在实验指导书中增加了一篇实验基础知识，包括电路设计的方法、实验操作规范和常见故障排查方法等。所设计的电路经仿真无误后，进入验证阶段。首先列出电子元器件清单，实验室提供不了的芯片，需自行走访电子市场根据计算好的元器件参数选购、检测并查阅电子器件手册。按照仿真软件设计出来的电路接线图，选择在实验箱或者面包板上进行接线，然后调试电路，最终实现预期电路功能。
学生在整个过程中起主导作用，教师对学生的引导作用以启发性为主，其中课题拟定-确定方案-电路仿真与测试部分由学生利用课余时间完成，电路搭建与调试在最后一次课上安排2个学时完成，或者提前和任课教师预约时间段开放实验室供学生调试电路使用，充分体现学生的主体地位。
2.4 方案评价
数字电子技术实验项目采用验收的形式体现考核的“过程化”，并且加大设计性实验项目的成绩占总成绩中的权重。学生搭建电路经调试无误后由教师统一验收，包括课题的设计方案、课题难度、仿真电路的情况、实际电路质量、是否能够实现预定功能，并通过简单的问答检测学生对本实验课题原理的理解、搭建电路等的动手能力、故障问题的分析及解决能力。两人组的课题，还需依据个人对课题的分工和贡献作出评定，最后提交的实验报告要求重点详细叙述课题实现的过程、出现的问题及解决的办法、心得体会，通过上述各方面进行综合进行评定。
3 结论
在数字电子技术实验课程中增加自主设计性实验，学生综合运用所学理论知识和交叉课程知识，自主设计自主选题，学生成为实验项目的主导者，任课教师对学生的引导和启发贯穿整个实践过程，提高了学生的积极能动性，激发学生主动去探索，锻炼了学生的综合应用分析能力、独立思考能力，培养学生创新意识。同时，激发教师在教学过程中对专业知识不断思考、学习，提高业务水平，实现了教学相长的目的。
参考文献
[1] 申双琴.数字电子技术實验课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2018.19（1）：145-148.
[2] 陆鹏飞.数字电子技术实验教学方法的探索与实践[J].北京高教学会实验室工作研究会2008年学术研讨会论文集，2008：66-70.
[3] 邓红梅等.开设综合性，设计性实验教学探讨[J].实验科学与技术术，2012.10（4）：148-150.
[4] 许鹭芬，刘志鑫.设计性实验教学探索与实践[J].实验室科学，2014.17（2）：121-123.
[5] 李宁，罗琴娟，钱桦等.数字电子技术自主设计性实验教学实践及分析[J].实验技术与管理，2015.6（32）：161-163.
[6] 师彦荣，曾伟.Multisim10 仿真软件在数字电子技术实验教学中的应用[J].电子与封装，2011.11（5）：42-44.
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