从掌握原理到解决问题_数字电子技术实验教学改革探索_周芸

总第267期2014年1月(下)ＴｈｅＳｃｉｅｎｃｅＥｄｕｃａｔｉｏｎＡｒｔｉｃｌｅＣｏｌｌｅｃｔｓＴｏｔａｌ．２６７Ｊａｎｕａｒｙ２０１４（Ｃ）从掌握原理到解决问题：数字电子技术实验教学改革探索周芸（南京工程学院工业中心江苏·南京211167）中图分类号：Ｇ６４２．０文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－７８９４（２０１４）０３－００８９－０２作者简介：周芸，南京工程学院工业中心助理实验员。

摘要数字电子技术实验教学应重视基础验证型实验，并提升它的设计内涵。

同时，为增强学生自主创新和解决问题能力，应注意在教学过程中，创造设计型实验的多样化情境，增强综合型实验的问题解决导向。

关键词数字电子技术实验基础型设计型综合型改革From Mastering Principles to Solving Problems:Teaching Reform of Digital Electronic Technology Experiment ／／ＺｈｏｕＹｕｎAbstract Ｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｇｅｆｆｅｃｔ，ｄｉｇｉｔａｌｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｅｃｈ－ｎｏｌｏｇｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈｏｕｌｄｐａｙｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎｅｘ－ｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｉｔｓｃｏｎｔｅｎｔ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｔｈｅｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｉｎｎｏｖａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｂｌｅｍ－ｓｏｌｖｉｎｇｓｋｉｌｌｓ，ｔｅａｃｈｅｒｓｓｈｏｕｌｄｃｒｅａｔｅｍｏｒｅｄｉｖｅｒｓｉｔｙａｂｏｕｔｄｅｓｉｇｎｅｘｐｅｒｉ－ｍｅｎｔｓａｎｄｏｒｉｅｎｔｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｏｓｏｌｖｅｐｒｏｂ－ｌｅｍｓ．Key words ｄｉｇｉｔａｌｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｎｅｓｓ；ｒｅｆｏｒｍ数字电子技术是电气类、自动化类、信息类等相关专业的核心课程之一，其特点是综合性强、应用范围广、内容更新快［１］，课程兼具理论性和实践性。

因此，除理论讲授之外，实验教学对促进学生掌握电子电路的基本原理、提升自主解决实际问题的能力，具有重要作用。

但长期以来，由于实验教学常常处于附属地位，依附于理论课程的数字电子实验课程内容更新缓慢［２］，教学的思维方式亦受限于教材的按部就班，导致学生缺乏对基础型实验的兴趣，因此对基本原理的掌握不够扎实，进而影响了设计型实验、综合型实验的效果，学生解决实际问题的能力有所欠缺。

因此，数字电子技术实验教学改革的方向是：一方面如何改进基础型实验教学方案，调动学生学习兴趣，发挥此类实验对基本原理的巩固作用；另一方面则是如何优化设计型和综合型实验方案，以通过此类实验，切实提升学生解决实际问题的能力。

１基础验证型实验的必要性基础型实验是指为了使学生掌握基本实验操作技能、数据处理方法而开设的对理论进行验证的验证型实验，其目的是要使学生掌握基本电子仪器的使用方法、电子器件的基本功能和基本应用方法、数字电子技术实验的基本技能和方法，为学生进行后续实验起到示范作用［３］。

验证型实验的教学内容主要是教材上规定的基础实验，包括“门电路逻辑功能测试及其应用”、“数据选择器的应用”、“译码器的应用”、“集成移位寄存器应用”等。

一般而言，所占比例超过实验总学时的５０％。

基础验证型实验对学生掌握基本原理、巩固理论知识具有重要作用。

譬如“门电路逻辑功能测试及其应用”，作为数字电子技术实验这门课程中的第一个实验，其主要目的是要检验电路的输入输出之间所具有的逻辑关系是否满足门的逻辑关系或设计要求。

实验过程中，需要学生将预习时设计出的或已经给出的门电路，用选定的芯片，在实验箱的面包板上搭接好，按已列好的输入输出变量组合，进行赋值加到输入端，并测出与之对应的输出结果。

得到数据后，学生需进行数据分析，判断并与题意对比是否正确。

这一实验之所以重要，是因为集成逻辑门电路是最基本的数字集成元件，任何复杂的组合逻辑电路和时序逻辑电路都可以用逻辑门通过适当的连接而完成。

目前，虽然很多中、大规模甚至超大规模的集成电路相继问世，但组成某一数字电路系统时，仍然要用到各种逻辑门电路。

因此，学生有必要熟练掌握逻辑门电路的使用和注意事项，才能理解更大规模、更为复杂的电路构成原理。

２提升基础验证型实验的设计内涵然而，纯粹的基础验证型实验所占比例过多，虽可加深学生对基本原理的理解，但局限于此，可能会影响到学生对实验的兴趣，进而削弱学生的自主设计能力［４］。

这是因为，一方面验证型实验一般在面板或实验箱上进行，实验的步骤已经十分详细，学生只需按照步骤进行即可，难以脱离书本进行独立思考；另一方面，验证型实验往往以中小型为主，单个实验之间的衔接不够，学生较难形成系统性的思维，无助于提升解决复杂问题的能力。

目前，在数字电子技术实验教学改革中，有一种声音已广泛受到认可，即应该缩减基础验证型的实验课时，而增加自主设计实验的比例［５］。

这种论调的出发点固然很好，但必定会带来相应的问题。

由于数字电子技术的授课对象往往是本科一、二年级的学生，其专业基础尚不深厚，如果一味削减验证型实验的课时，很可能带来适得其反的效果。

因此，数字电子技术实验课程，不能机械地依靠减少数量来回避基础验证型实验的缺点，而应该从提升此类实验的内涵８９出发，在保持它优点的同时，尽可能提升学生对此类型实验的兴趣，在潜移默化中牢牢地掌握专业基础原理。

鉴于此，在教学过程中，我们并未缩减基础验证型实验的课时，而是从提升实验的内涵角度出发，对众多的基础验证型实验进行了内容的微调，力求在实验中增加一些需要学生自主设计、自主创新的因素。

譬如，在“触发器及应用”这个实验中，实验内容原本是用ＪＫ触发器设计简单的时序逻辑电路，实验指导书中也给出了相应的逻辑电路图。

但是在实际操作中，我们并没有完全按照指导书的步骤去教学，而是通过发现实验中的某些偏差，对实验内容进行了改进。

在具体操作中，我们发现由ＪＫ触发器构成的计数器的输出状态并不理想。

由此，在课堂上，我们引导学生发挥自主性，许多学生在改用Ｄ触发器来构成计数器后，可以明显地比较出后者的输出状态更加稳定。

通过这样细小的改变，学生发挥了主观能动性，实验兴趣显著增加，潜移默化之中加深了对基本原理的理解，同时也为他们过渡到设计型实验做好了准备。

３创造设计型实验的多样化情境基础验证型实验的重要性毋庸置疑，但学生在扎实掌握基础原理后，对知识的运用即自主设计能力终究是实验教学的终点目标。

设计型实验就是为了培养学生的自主设计能力而开设的，它是给定实验题目、技术指标要求和实验条件，由学生自行设计实验电路及实验方案并加以实现的实验类型［６］。

要求学生能在各种复杂的情况下，不囿于书本知识，能够熟练运用自己掌握的原理，将基础验证型实验中学到的知识，运用到全新的情境之中，以解决不断变化的实际问题。

这一类型的实验要求较高，学生须积极发挥主观能动性，自己完成电路的设计、组装、调试，最后得出实验结果。

譬如，在给定集成电路芯片的情况下，课前完成实验电路的初步设计，然后进实验室进行安装调试等。

设计型实验主要包括“集成计数器的设计”，“计数、译码和显示综合电路”，“ＥＤＡ实验”等。

一般而言，这种类型实验课时所占比重小于基础验证型实验。

但是，传统的设计型实验往往较为单一，实验的场景和实验方案面对的情境比较单一，无法激发学生的想象力和创造性。

譬如，在传统的ＥＤＡ实验中，指导书要求的实验内容是用Ｍａｘ＋ｐｕｌｓⅡ将７４１６１接成十二进制计数器，这个实验学生只需按图接线就可以完成。

与此相似的实验案例还有很多，这类实验由于情境单一，导致在学生在自主设计时个人发挥的空间有限，也不能触类旁通。

对此，在教学过程中，我们通过改变设计方案，引导学生不断增加变量，创造出更多的变化，实验效果大大增强。

譬如，过去我们要求在数字电子技术实验箱用多个芯片以及显示器件完成计数、译码和显示这三个实验，这个实验的接线非常多，耗时久，但是实验的情境和效果却比较单一。

现在，通过引入功能强大的ＥＤＡ技术，学生可以随时自主选择添加新的器件，创造出很多新的实验环境［７］。

虽然实验中一样是计数、译码和显示这个内容，但我们可以用Ｍａｘ＋ｐｕｌｓⅡ和ＥＤＡ这两个软件来模拟、创新实验情境，同时，在软件的使用过程中，学生能够真切感受到用图形输入文件，然后编辑电路原理图的方便和简洁。

这样，一方面引导学生掌握ＥＤＡ技术，同时也提升了学生的自主设计能力。

４强化综合型实验的问题解决导向经过基础验证型、设计型等实验课程的学习，数字电子技术实验课程的最终任务往往是完成一个较为大型的综合型实验。

综合型实验是指学生在具有一定数字电子技术基础知识和电子技术实验基本操作技能的基础上，综合运用课程及相关知识，对实验技能和实验方法进行综合训练的符合性实验［８］。

此类型实验往往要求学生在给定的题目下，自己确定实验方案，自己选定元器件，完成数字电路的设计、安装调试，并独立写出实验报告。

综合型实验不是验证型、设计型实验的简单相加，而是融合了验证型实验对基本原理的要求和设计型实验对情境的重视，它需要一种整体性的思维，其终极目的是检验学生掌握实验技能、知识运用，以至能否解决实际问题。

在以往的教学中，教师往往学期最后两周布置综合型实验，大多是将以往的教学内容机械叠加起来，缺少问题解决的导向。

近些年，数字电子技术实验课程，已越来越体现出它解决问题的浓厚色彩，主要表现为课程设计的内容，逐渐贴近日常生活，类似“抢答器”、“电子钟”、“简易电子琴”、“交通信号灯”等题目之类层出不穷。

因此，在该类型的实验中，我们着重引导和提升学生解决日常生活问题的实际能力。

譬如，“多功能数字钟”设计课题，就是与现实生活密切相关的内容，由于这类实验具有实际的现实原型，学生在选择课题时更容易接受，更有兴趣。

事实上，这一实验的基础就是我们在数字电子技术实验当中做过验证型和设计型实验的综合，如计数、译码和显示综合电路等。

综合型实验不仅把数字电子技术实验与数字电子技术课程设计进行了联系，也切实增强了学生解决实际问题的能力。

５结语现阶段，对于数字电子技术实验教学改革的讨论已十分繁多，学术界在很多方面已达成了一致意见。

但是要特别指出，我们在教学改革中不能矫枉过正，尤其是不能一味削减验证型实验的课时数量，而应该注重提升它的设计性内涵。

另外，在设计型实验中，我们应该增强新软件的使用，为实验创造出更多样化的情境；在综合型实验中，则要与时俱进，关注社会日常生活，牢记教学的最终目标是要培养学生解决现实问题的能力。