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摘要:針對數字電子技術實驗課程教學過程中存在的問題，南京工程學院進行了一系列相應的教學改革。該文結合在教學改革過程中的體會，闡述了在實驗教學內容、教學方式、教學手段和教學考核4個方面的改革方案。實踐表明，數字電子技術實驗教學的改革提高了學生學習的主動性，對培養工程型、研究與創新型人才具有積極的推動作用，取得了明顯的教學效果。
關鍵詞:數字電子技術實驗;實驗教學;教學改革;創新型人才
數字電子技術實驗課程是電類專業的一門主要技術類基礎實驗課程，同時也是一門實踐性很強的課程［1－2］。課程的主要任務是培養學生合理運用所學的理論知識，以科學的思維方式分析問題和解決問題的工程實踐能力［3］。鑒于目前企業對人才創新實踐能力的要求越來越高，學生能否扎實地掌握數字電子技術實驗技能，具備自主學習和動手應用能力，對后續課程學習及職業規劃將產生直接的影響。為此，南京工程學院針對實驗教學存在的問題，如實驗內容單一，教學方式不當，考核方法不合理等，采取了一系列相應的教學改革措施，并取得了明顯的成效。
1教學內容的改進
以往的教學內容主要參照學院教師團隊自編的實驗教材，以理論教學涉及的芯片應用電路設計為主，如使用74138、74151、74160芯片，主要起鞏固理論教學知識的目的。但實驗內容不能僅局限于對數字電子技術理論知識的認知與驗證，還必須形成基礎認知、初步設計、綜合應用、研究創新等環節有機結合的實驗教學模式［4］。學院針對實驗教學中實驗內容相對單一，實驗選題偏少，不同實驗選題不能有效建立聯系，創新型實驗比例偏少等問題，主要從層次性、實用性和多樣性這3個方面進行了改進。
1.1層次性
數字電子技術實驗主要分為驗證型、設計型和綜合型實驗。驗證型實驗主要是了解實驗基本儀器使用和實驗方法，簡單測試集成芯片邏輯功能。設計型實驗主要是根據設計要求，獨立完成一個功能電路的搭建和調試。綜合型實驗包含了數字電子技術理論課程的多個知識點，重在提高學生學以致用的能力和創新思維水平。遵循學生對知識認知循序漸進的原則，以由簡到繁，由易到難，由單元電路到系統綜合設計為思路，學院在增加設計型和綜合型實驗比重基礎上，仍保留驗證型實驗。目前實驗課程中驗證型、設計型和綜合型實驗比例為2∶5∶3。另外，授課時還需注意學生知識接受能力和動手實踐能力的差異性。一部分學生理論基礎知識薄弱，數字電子技術這門課程學完后對集成芯片引腳圖、功能表了解甚微，更不要說設計和調試實際功能電路。實驗操作時，也經常出現各種問題，如芯片忘記供電等，實驗完成進度緩慢。還有部分學生理論基礎知識扎實，對實驗課程感興趣，電路設計已在課程預習時完成，課堂上實驗操作很快完成，剩余大量時間不能有效利用。為了兼顧這兩類學生，考慮到他們的差異性，教學內容應有一定的擴展性，或設計一些選做的實驗內容，為那些學有余力的學生提供一定的能力發展空間［5］。
1.2實用性
為了激發學生的探究欲望，以及讓學生感受到所學的理論知識是切實有用的，設計綜合型選題應盡量選取與實際生產生活密切相關的，如八人搶答器、循環彩燈控制、數字時鐘等。這樣一方面較熟悉的實際問題有利于學生將其抽象為邏輯問題，另一方面真正做到了學有所用、學以致用，有效提高學生學習的熱情。另外，實驗的過程和結果最好能產生有形的結果，如LED顯示、數碼管顯示等。這樣學生完成實驗時，看到正確顯示的實驗現象會有成就感，慢慢地對這門課程產生興趣。
1.3多樣性
由于本院班級多，實驗教師相對較少，實驗設備和實驗空間有限，相同專業不同班級學生上課時間不能統一。一個班級先做實驗，另一個班級后做實驗，如果實驗內容完全一致，很難杜絕實驗數據相互參考的現象，而且大大降低了后面班級學生學習的積極性，實驗效果較差。為了從根本上解決這個問題，學院教師設計了多種不同的實驗教學內容，確保不同班級教學內容不完全一致，在有效解決實驗數據相互參考問題的同時，也豐富了教學資源。在此基礎上，學院教師還設計了多種創新型、綜合型項目，供學生自主選擇訓練，一般以小組團隊合作方式完成。
2教學方式的轉變
傳統的數字電子技術實驗教學采用灌輸式教學，以教師為主體，學生處于被動學習的地位［6］。整個教學過程通常如下:首先，教師從實驗目的、實驗原理、實驗內容及步驟、實驗注意事項等多方面進行講解，詳細至極;然后，學生根據教師講解，對照實驗指導書上操作步驟，按部就班地完成電路搭建和實驗結果的驗證。甚至有些學生電路原理還沒搞清楚，就直接按照指導老師給出的電路圖，對應芯片引腳進行電路搭建。這種教學方式雖然避免了很多可能出現問題的地方，學生能快速完成實驗，得到實驗數據，但不利于其分析問題和解決問題能力的培養。在整個實驗課程中很難有自己的想法，創造性和積極性得不到有效激發，大大降低了學生主動參與實驗的興趣。因此，學院從3個方面對教學方式進行了改進。
2.1學生為主體，教師為主導
為了提高學生自主學習積極性，培養學生實踐創新能力，激發其科學思維方法，學院將教學模式轉變為“以學生為主體，教師為主導”。具體是指實驗任務只給出設計要求和原理，不再給出詳細的電路設計圖，讓學生自己思考如何進行電路設計，讓其在實驗過程中發現問題，并獨自分析和解決問題。教師在實驗過程中只起引導性作用，但實驗完成后，要注意啟發學生多思考和總結［7］，比如全加器電路可以用小規模集成芯片74LS86和74LS00實現，也可利用74LS138和74LS20實現，從這兩種電路設計的區別總結出中小規模集成芯片設計組合邏輯電路所存在的優缺點。
2.2注重電路調試和故障排查
在電路調試檢測時經常會發現電路產生故障，實驗現象與設計需求不符，不能按預定的邏輯功能正常工作。多數學生會選擇把所有連線拔掉，重新再來，重連后還是不成功就認為實驗箱有問題或者找教師幫忙解決。為提高學生排查故障和解決問題的能力，第一次實驗課時教師就應向學生講清電路調試和故障排查的重要性，以及電路故障可能出現的原因及排查方法，如用數字萬用表測試導線通斷等。實驗過程中學生出錯時，應耐心引導學生去排查可能出現的問題，而不是教師替學生完成故障排查。發現問題、解決問題的過程才是學生學習進步的過程。
2.3注重課前預習
改革后的教學模式要求學生在沒有詳細電路設計圖的情況下自行完成電路設計與搭建調試。如果學生課前預習不充分，一方面不熟悉實驗目的、原理、內容以及注意事項等，實驗帶有很大的盲目性，電路設計困難，也預計不到可能出現的問題;另一方面在課堂上才進行電路設計，動手操作時間相對減少，從而使課堂效率降低。為此，學院教師在實驗課前預先布置下節課實驗內容，要求學生充分預習并寫預習報告，主要是完成電路設計。對實驗有基本認知后，操作時才能做到有的放矢，提高課堂效率。
3教學手段的更新
傳統的“板書”授課、“言傳身教”以及采用多媒體課件等教學手段有諸多弊端，如上課效率低下，無法激發學生學習興趣，限制學生學習的主觀能動性。為了更好地開展實驗教學，激發學生的學習興趣，加強師生間的交流互動，學院將網上教學平臺、開放實驗室等新思維與傳統教學手段有機結合，充分利用各種教學手段的優點，形成多元化的實驗教學手段。實踐表明，運用這些教學手段能達到預期教學目標。
3.1引入EDA教學
以往，實驗教學學生操作時一般均通過在實驗箱上手工連線完成電路搭建，然后進行電路測試，觀察輸入和輸出，驗證實驗結果。如果實驗結果不符合設計要求，需要變換電路并重新調試，直至輸出結果與設計要求一致。當電路非常復雜時，學生多次重復實驗操作會降低實驗效率，損耗器材的同時，也容易產生厭煩情緒，喪失學習熱情。EDA技術是高校實驗課程改革的必然趨勢，利用該技術可以實現硬件設計的軟件化，有效提高了實驗效率［8］。對于驗證型實驗，學生只需利用EDA軟件對電路進行測試和仿真，即可達到預期的教學效果。對于設計型和綜合型實驗，要求學生先仿真設計電路，確定設計無誤后，再在實驗箱上進行電路搭建，這樣可以減少因設計錯誤導致的器材損耗并有效提高實驗效率［9］。
3.2高效利用多媒體
實驗教學過程中經常需要對一些復雜的電路進行演示說明，傳統教學一般是教師選用一個實驗箱，學生圍在其周圍進行觀摩學習。由于場地的限制，一般只有少數前排學生能看清楚演示過程，后面的學生只能再向這些學生請教。學院教師目前利用攝像技術，課前記錄下實驗演示過程，上課時運用多媒體設備進行播放，保證所有學生均能看到演示，自行操作時有個參考，在很大程度上提升了上課水平和課堂效率［10］。另外，通過給學生播放一些案例性教學視頻，使教學情景立體化和多樣化，可以激發學生思考，加深對教學內容的理解。
3.3建立網上教學平臺
為方便學生自主學習，學院教學團隊建立了網上教學平臺，提供多媒體課件、視頻教學案例及實驗指導書等教學資源的下載?；诮虒W內容的改革，實驗教材也進行了相應的修改和完善，增加了綜合設計型實驗比例的同時，去除了具體的實驗步驟。每個實驗內容只給出具體的功能要求，不限定學生使用何種芯片、設計何種電路，有利于學生創新思維的培養。另外，學生可在網上針對重點、難點進行提問，教師及時做出解答，師生間的互動交流可變學生被動學習為主動學習，進而培養學生學習興趣。同時，教師也可以依據學生提出的疑問和建議及時調整授課內容及方向，有利于提高教學效果。
3.4開放實驗室
開放實驗室是指實驗室提供可能用到的儀器設備和電子元件，學生根據學習興趣在網上教學平臺選擇合適的實驗項目，由學生個人或團隊協作在業余時間來實驗室完成實驗任務。在整個過程中，教師并不會過多干預，由學生自行查閱文獻，了解實驗原理，通過合作與交流，不斷完成電路設計，形成探究能力。如此，不僅提高了學生創新實踐技能和查閱文獻能力，還能充分發揮實驗室現有資源，提高儀器設備利用率。目前學院開放實驗室項目主要有智能交通燈控制系統、數字頻率計、智能競賽搶答器設計、多路防盜報警電路設計等。
4教學考核機制的建立
實驗考核方式是否合理和公正直接關系到每個學生對實驗課程的重視程度，以往以實驗報告為主、考勤為輔的考核方式存在明顯的缺陷，不能準確衡量學生課程學習后的成效。為此，學院建立了一套行之有效的考核制度，在教學考核機制中增加考試環節，并取締紙質實驗報告。
4.1增加考試環節
為了充分調動學生學習積極性，了解及提高實驗教學效果，保證教學改革順利進行，學院增加了實驗考試環節。實驗考卷由教師根據教學內容擬定，一套試卷對應一個實驗項目，主要考查學生對儀器的熟練使用，對數字電子技術理論知識的掌握程度，動手實踐能力以及實驗數據測量、分析能力。試卷主要分為實驗步驟、實驗結果與分析、實驗操作和思考題4個部分，其中實驗操作由教師現場驗收打分，占卷面成績的35%。另外，為多方位考查學生對不同實驗項目的了解，學院一般每年命題四套試卷，由學生抽簽決定考題，教師可根據答題情況適時調整實驗難度。
4.2取締紙質實驗報告
以往學生上交的紙質實驗報告大多抄寫了大量實驗目的、實驗原理等文字性內容，而電路圖設計及數據分析處理部分一帶而過，本末倒置。為了督促學生預習，合理利用時間及真正體現出實驗報告的作用，學院教師提出取締紙質實驗報告，提交電子實驗報告的方案。學生可直接復制實驗教材中實驗目的、實驗原理等內容，而把時間精力用于電路預先設計、數據分析處理等方面。另外，實驗課前所有學生均需向實驗老師發送預習報告，實驗教師對報告中電路設計圖進行檢查，作為預習考核指標的同時，也可在課上重點關注電路設計錯誤的同學。
4.3實驗成績給定方法
實驗成績由平時成績和期末卷面成績綜合評定，本著“輕結果、重過程”的原則［11］，平時成績占60%，期末卷面成績占40%。
5結束語
通過本次教學改革與實踐，發現學生學習熱情高漲，自主學習能力和創新實踐能力都得到了很大的提升。最為明顯的是對理論知識的掌握更為深刻，經了解，教改后數字電子技術理論課及格率提高，卷面中相關簡單應用電路設計基本都能完成。但在數字電子技術實驗教學過程中，也還有很多工作需要改進，如針對不同專業的學生增設更多新穎的實驗內容，加大實驗室管理力度，包括維修常用儀器和提供實驗芯片，為學生提供良好的教學環境等。實驗教學改革是一項長期的工程，需要每一位教師勇于探索和實踐，這樣才能不斷提高教學質量，為培養具有創新思維能力和工程實踐能力的高素質人才做出應有的貢獻。
作者:張國玉 單位:南京工程學院
