数字电子技术实验教学改革与实践
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作者: 崔祎
摘 要： 作者针对数字电子技术实验教学的重要性，以及目前实验教学过程中存在的问题，引入实验手段的多样化，对实验教学内容和方法进行了重新构建和优化，在激发学生的主动性和积极性，培养学生的分析、解决实践能力方面取得了一定的成果。
关键词： 《数字电子技术实验》 教学改革 成果
一、引言
《数字电子技术基础》是高等院校电气、电子、通信、自动化等专业必修的一门专业基础课，我校《数字电子技术实验》从理论课中分离出并单独设课，其实践性教学环节的特点是：学生在了解各种基本的逻辑电路的基础上，不仅要能熟练运用所学的理论知识对数字电路进行分析，而且在此基础上要能够根据实际要求设计电路，并通过实验来验证其正确性，所以这门科的重点是培养学生的逻辑思维能力。数字电子技术实验课程作为一种实践性很强的专业基础课，应注重在课程中培养学生进行科研的能力，要求学生在所进行的实验中，不能只是简单地模仿，而要有自己的东西，即“独创”。这就需要构建合理的实验教学体系，不仅让学生受到系统的实验技能训练，掌握科学实验的基本知识、方法和技能，而且要培养学生敏锐的观察力，严谨的科学思维能力和创新能力，培养学生理论联系实际，分析和解决科学实践问题的能力。
二、传统的教学模式存在的问题
数字电子技术实验传统的教学模式是：学生领取实验所需的元器件，将电路在面包板上用导线搭接出来，再根据真值表逐一对电路进行验证。这个过程在操作时始终存在着一定的问题：如果是验证型问题还不大，但如果是设计型或者是综合型的实验，就有可能实验室没有所需的元件，学生必须用指定的芯片对已设计好的电路进行更改，并且由于设计中使用的芯片是指定，在一定程度上局限了学生的思路，限制了学生主动性和创造性的发挥，不可避免地造成设计方案雷同，缺乏灵活性。虽然这种设计方法对理论知识的理解和应用有好处，但对于一些较复杂的综合型实验，其实验结果除了取决于设计繁琐程度，还取决于硬件接线的质量（包括面包板和导线接触良好，元器件完好，等等），这些都直接影响了实验的成功率，因此一些学生直到最后也不知道问题所在，这在一定程度上打击了学生的积极性。学生学完这门课后，常常感到无所适从，既不知如何系统设计，又不知如何进行芯片选择，更谈不上对电路的进一步优化，因此，验证型的实验在整个课程中占了较大的比例，也就不能激发学生的学习兴趣，更好地培养学生逻辑思维能力，如何解决这个难题就成了当前教学中亟待解决的问题。
三、EDA的引入及实验手段的多样化
近年来，随着计算机技术和微电子技术的发展，随着电子设计自动化（EDA，Electronic Design Automation）的飞速发展和CPLD/FPGA （复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列）器件的涌现，利用EDA软件对CPLD/FPGA器件开发，已成为现代电子设计的重要手段，因此它就成为电子工程师必须掌握的基本技能。EDA技术的发展和广泛应用，也促进了高等学校电子技术课程的体系和内容的相应改革，在发达国家许多大学已将EDA融入到实践教学，并在工程应用中占有重要的地位。
传统的硬件电路设计方法是“自底而上”，即先将众多底层的模块设计出来，然后按照顶层系统要求将这些底层模块组合起来。这种设计方法的缺点是只能在整个系统建立起来后，才能进行功能的验证，一旦出错，需重新设计各个模块，效率低，周期长。与它不同，EDA采用的是“自上而下”多层次的设计方法，即把系统划分为若干个基本模块，每个模块再划分为下一层次基本模块，以此不断往下划分，直到基本模块可以直接使用EDA库中的基本元件来实现为止。MaxplusII软件是第三代可编程逻辑器件开发系统，它可以利用原理图输入法、文本输入法（硬件描述语言）或混合输入法建立设计，输入方式多样化，且设计速度快，其中原理图输入法是公认的人机界面最友好、最易使用的方法。目前广泛使用的硬件描述语言是VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language），也是一种国际标准全方位硬件描述语言，在电子系统自动设计十分流行，现已成为主要硬件的描述工具，它包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次，具有强大的行为描述能力，可以用简洁明确的源代码来描述复杂的逻辑控制，且VHDL语言系统虽然很庞大，但实际应用中只需用30%的基本语句就可以完成95%的电路设计。因此在培养学生掌握传统的硬件实验手段的同时，引入EDA技术，可以进一步扩展学生的思维空间，培养学生的实践能力，也可以激发学生的电子设计创作灵感，提高学生的综合素质和创新能力，同时也可以大大提高教学效益。
四、整合实验内容，构建合理实验体系
构建合理的实验教学体系，不仅能让学生受到系统的实验技能训练，掌握科学实验的基本知识、方法和技能，而且能培养学生理论联系实际、分析和解决科学实践问题的能力，以及严谨的科学思维能力和创新能力。
我校组织理论课教师和实验课老师结合数字电子技术实验已开设的实验及现有的实验手段，共同整理了实验内容，构建了更为合理的实验体系，进一步强调了实验与理论的既配合又独立的关系，同时编写并出版了配套的实验教材。
实验手段从单纯的硬件接线上升到软、硬结合的层面，在实验内容上减少了验证型实验，扩大了设计型的比重，增加了综合型实验，三个不同层次的实验类型的比例是验证型20%、设计型60%和综合型40%。由于实验教学比理论教学具有较大的自由度和想象空间，因此实验内容可根据课程自身特点，同时兼顾学生的兴趣，从多层次、多角度来考虑，充分体现了趣味性、应用性和自主性等。比如，我们设计了一个直流电机的实验，结合理论课程的不同章节，逐步设计并完成整个设计，整个过程大致可分为三步：第一步，学完组合逻辑电路的设计后，完成电机的启动和停止；第二步，学完时序逻辑电路的设计后，要求电机在预定的时间内启动和停止；第三步，学完脉冲波形的产生和整形后，要求电机以不同的速度运行。其中的每一步设计，都让学生先在MaxplusII软件上进行设计输入、编译、综合、仿真（包括时序仿真和功能仿真），最后下载到FPGA器件上进行硬件调试和验证。整个过程一步步逐渐提高要求，增加了趣味性，同时也扩展了思维空间，培养了学生的创新精神，提高了创新能力。
教学方法将从前“以教师为主”，学生只能是被动的重复或按照事先已拟定好的实验步骤按部就班地进行验证，改变为“以学生为中心”的启发式、讨论式、探索式的教学方法。不仅如此，还实现了实验室开放式管理，学生只需提前向实验室预约，就可自由支配实验时间，根据自己的能力灵活掌握实验进程。
五、考核体系的建立
考核不仅是对学生水平的测试，而且是对教师教学效果的检验，因此，考核体系的质量就对一门课程的学习至关重要。考核方式在注重平时成绩的同时，更注重实际能力，它有助于学生踏实地掌握所学知识。整个课程的成绩评定主要分为两个部分：平时成绩和考试成绩。其中：平时成绩（总成绩的60%）=预习报告+实际操作+实验报告；考试成绩（总成绩的40%）=实验理论知识+实际操作，其中实验理论知识部分侧重于学生们在平时实验中容易出错，以及需要重点掌握的内容。
六、结语
通过这些年对实验内容和实验手段的不断改进，我们取得了一定的成果，同时也暴露出一些问题：第一，由于拓宽了学生的思路，他们所设计的电路千差万别，这就需要理论和实践能力都较强的指导老师，我校现有的师资还不能够完全满足要求，每个教师都长期超负荷工作；第二，由于实验设备的数量有限，虽然有预约机制，但仍不能完全做到学生随时都能下实验室；第三，由于实验的学生数量较大，管理出现困难，实验的设备和元器件损坏明显增加。总之，教学改革不是一朝一夕就能完成的，它是一项复杂的系统工程，如何解决以上问题，还需要我们进行深入的探讨。
参考文献：
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