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摘要:數字電子技術課程是本科高校電子信息類專業核心應用能力課程之一。本文以全國大學生光電競賽為契機，針對在學生參加光電比賽和教學過程中暴露出數字電子技術傳統教學方式的不足，提出了針對數字電子技術教學改革的一些思路和措施，旨在激發學生學習興趣，培養學生的實踐能力、創新能力、就業競爭力和合作意識，為社會培養更優秀的人才。
關鍵詞:全國光電設計競賽;數字電子技術;教學改革與探索
全國大學生光電設計競賽是由教育部電子信息類專業教學指導委員會和中國光學學會共同主辦的一項全國賽事。自2008年首屆競賽舉辦以來，得到了中國高等教育學會、中國光學光電子行業協會等的高度認可，堪稱光電相關領域影響力最強、規模最大的競賽，也是中國“互聯網+”大學生創新創業大賽的預選賽之一，在業界獲得了高度認可。2019年舉辦了第七屆全國大學生光電設計競賽，為單數年首屆創意賽。競賽宗旨是促進光電知識的普及，加強大學生實踐和創新能力，鍛煉和培養學生團隊精神，促進高等教育改革。數字電子技術是光電競賽的重要學科之一，是光電信息科學與工程、電子信息工程及通信工程等專業重要的基礎課程，為單片機技術、信息技術和傳感器技術等后續課程奠定堅實的學習基礎［1］。隨著電子技術的迅速發展和新工科建設要求，必須從教學理念、內容、方法、手段等方面對數字電子技術教學進行改革，形成適應時代需求的教學模式，進而提高學生的實踐和創新綜合能力，以達到以賽促教以教促賽的目的［2］。
一、數字電子技術傳統教學方法的局限性
在數字電子技術課程傳統教學過程中，為保持課程的系統性、理論性和規范性，教師會重點強調理論課的教學，而實踐性教學更多地停留在口頭上。在實踐教學中，主要通過驗證性實驗來讓學生鞏固所學內容，忽略了課程的應用范圍，以及對學生實踐動手能力和學習興趣的培養［3］。由于教學改革，數字電子技術課程的學時不斷被壓縮。數字電子技術課程本具有內容多、散、碎等特點，教師上課時往往會相應地加快教學進度，容易造成課堂教學中“滿堂灌”現象。這種教學過程，導致學生缺乏思考，不利于學生的教學參與、自主學習能力的培養和學生課程課外拓展應用?，F如今，在光電、電子及其他各項競賽中，對掌握數字電子技術的要求越來越高，學生需要足夠多的專業理論知識、分析問題和解決問題的實踐動手能力，同時還須具備一定發散創造性思維。
二、數字電子技術教學改革與探索
借鑒光電競賽比賽和培訓經驗，我們對數字電子技術課程進行了一些有益的改革和探索。首先，更新教學理念。好的教學理念能讓學生迅速理解并內化課堂內容。在數字電子技術課程教學中，傳統的教學理念以教師如何教為主，學生處于被動接受的狀態，這就導致了最后“填鴨式”教學的出現，學生對知識的理解和接受都較為緩慢。因此，很有必要實現教學理念的創新。一是要做到以學生為中心。要發揮學生的主觀能動性，提高學生學習的興趣;要以發展能力為主要目標，培養學生分析問題、解決問題的思考能力，鼓勵創新性學習。二是要充分發揮教師的引導作用。教師巧妙點撥和指導，可以大大增加學生學習的興趣;要提高教師“導”的技能，要重視教學內容的講解。三是在教學中形成互動教學新型師生關系。在現代課堂教學中，可以借鑒中國傳統教育思想中優秀的教育教學理念，如師生平等、有教無類、因材施教等。只有實現教學理念的創新，在實際教學中才可以實現師生積極互動、共同發展的互動教學新型師生關系。這種互動教學新型師生關系，可以極大的調動教師教和學生學兩方面的積極性，學生可以充分展現他們的潛能和創新思維，從而保證教學效果。其次，優化教學內容。全國大學生光電競賽所涉及數字電子技術的內容、知識點和應用極其廣泛，競賽內容在數字電子技術部分涉及有組合邏輯電路、時序邏輯電路、各種數字集成電路(含門電路、可編程邏輯器件和半導體存儲器)、數/模與模/數轉換器和脈沖波形的產生與變換電路等重要知識點。一直以來，全國大學生光電競賽題目具有較強的實用性和較高的前瞻性。因此，以光電競賽所涉獵的知識范圍為切入點，重新審視數字電子技術理論和實踐教學的計劃安排，增加和突出重點內容和應用性較強的內容模塊，優化過時、不合理或不重要的教學內容。要緊跟時展的脈搏，把提高質量作為教學改革的核心任務，使學生能夠將所學知識應用到光電競賽、電子競賽，“互聯網+”“挑戰杯”等各種社會實踐中，讓課堂教學富有生命力。再次，創新教學方法。全國大學生光電競賽需要學生富有創新思維，而這種創新思維的培養對教師提出了更高的教學要求。傳統的填鴨式教學方法，形式比較單一，課堂枯燥無味，無法調動學生的積極性和培養學生的自學能力。因此教師在教學過程中，要以學生學習為中心，以素質培養為目08的，注重教學方法的創新，吸引學生的注意力，培養學生的發散性思維。如采用問題啟發式教學法、任務驅動教學法、項目化和參與式教學、強化案例分析法、頭腦風暴法、小組討論法、講練模擬教學法、巧設疑問法等。針對數字電子技術課程內容多、散、碎等特點，可借助超星網絡學習平臺，采取SPOC(SmallPrivateOnlineCourse小規模限制性在線課程)翻轉課堂式創新學習法，注重探索以學生為中心的課程教學組織新模式。最后，構建多層次實驗教學體系。在數字電路實踐教學上，根據學生實踐能力和培養的循序漸進性，構建了由基礎驗證性實驗、綜合設計性實驗、工程創新性實驗三個層次教學體系。其中基礎驗證性實驗側重于電子元器件的認識和應用，以及基本數字電路的調試和測量，盡量覆蓋理論課教學中的重要知識點。綜合設計性實驗的設置側重于培養學生鞏固和應用理論知識的過程。工程創新性實驗的設計側重于學生綜合素質和能力的培養。分層次的實踐教學有利于學生加深理論認識，提高專業素養，培養創新意識。同時，及時更新實驗設備，對于一些硬件設施跟不上的實驗，可以利用Proteus、Multism或EDA等軟件開設仿真實驗。
三、教學改革與探索成效———以光電競賽為例
2019年全國光電賽內容圍繞光電信息技術在環境、醫療、安全等各個領域的新應用，以培育新產品、新業態、新服務、新模式為目標為題。根據學生理論課的學習情況，指導參加光電比賽大二學生這一組選擇了完成基于樹莓派智能巡檢設備的設計與實現。該巡檢設備攜帶熱成像傳感器、粉塵檢測傳感器和攝像頭檢測裝置，可以對室內空氣粉塵濃度、異常熱源等情況進行警報，具有現場圖像采集、粉塵濃度檢測等功能。通過激光雷達進行路徑規劃，可以按最優路徑進行自主巡視，滿足了在不同環境下智能巡檢的需要。該系統以樹莓派為核心處理器。巡檢設備的粉塵濃度采集功能的實現利用了光散射原理。為了更好地對散射光信號進行處理，需要設計光接收電路對其進行放大和濾波處理。熱成像的實現利用物體熱輻射的特性，選用FLIR熱成像模塊，通過USB接口與樹莓派進行通信和圖像傳輸。智能巡檢設備在工作過程中通過L298N接受邏輯電平控制電機，完成前進、后退和轉彎等動作。智能巡檢設備的云端數據庫采用在騰訊云個人服務器搭建MySQL數據庫進行存儲。各項監測數據上傳采用了基于TCP協議的實時傳輸方法，實現了云端數據庫的可視化查看。通過競賽，學生把課堂上學習的邏輯門電路、鎖存器和觸發器、組合邏輯電路、時序邏輯電路、編程邏輯器件、AD轉換、DA轉換這些數字電電路專業基礎課程連接在一起，鞏固了重要的知識點，同時還可以將電路理論、模擬電子技術、數字電子技術、C語言編程技術等專業基礎課程連接在一起，鞏固了專業知識等，從工程實踐能力上加強了學生PCB電路的設計和制作、電路焊接與調試、電路綜合故障排除等能力。本組最終獲得2019年第七屆全國光電競賽中南賽區一等獎，全國三等獎。這樣的成績對于還在讀大二的三名學生實屬不易。
四、結語
以光電競賽為動力，以培養高素質技術人才為目的，對數字電子技術進行了有益的教學改革和探索，并取得了良好的效果。通過以賽促教、以教促賽的教學方式，學生的學習興趣、學習積極性、綜合素養和能力得到了明顯提高，在光電競賽和其他電子競賽中取得了良好的成績。通過競賽，大大開闊了學生的眼界，培養了學生的協同創新能力。
作者:唐海波 郭紀祥 牛全旺 張禹濤 柴一峰 劉明偉 單位:湖南科技大學物理與電子科學學院
