雷瑞庭 宋躍 楊杰 李明旭

(東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院,廣東東莞 523808)

《數(shù)字電子技術(shù)》教學(xué)與實(shí)驗(yàn)改革的探索與實(shí)踐

雷瑞庭 宋躍 楊杰 李明旭

(東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院,廣東東莞 523808)

在教學(xué)型本科院?！稊?shù)字電子技術(shù)》教學(xué)中，依托國(guó)家特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)的實(shí)施，本著“加強(qiáng)基礎(chǔ)，注重實(shí)踐，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)強(qiáng)化工程意識(shí)和實(shí)踐能力培養(yǎng)”的原則，從課程目標(biāo)、理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)方面對(duì)電子信息工程、通信工程等專(zhuān)業(yè)的該課程教學(xué)改革進(jìn)行了探索與實(shí)踐。實(shí)踐證明該建設(shè)是行之有效的，文中重點(diǎn)講述了該課程教學(xué)設(shè)計(jì)思想與實(shí)踐過(guò)程，同時(shí)介紹了課程設(shè)計(jì)案例及教學(xué)實(shí)踐過(guò)程。

課程教學(xué)大綱；課程設(shè)計(jì)；實(shí)踐與創(chuàng)新；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

《數(shù)字電子技術(shù)》是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重點(diǎn)學(xué)科基礎(chǔ)課程,是后續(xù)計(jì)算機(jī)原理、單片機(jī)、EDA、DSP等現(xiàn)代技術(shù)課程的先行必修課,具有理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的特點(diǎn)[1-3]。目前教學(xué)計(jì)劃安排總學(xué)時(shí)72,其中實(shí)驗(yàn)16個(gè),課程設(shè)計(jì)1周。在教學(xué)中存在以下問(wèn)題:

1)理論課時(shí)減少,教材中知識(shí)點(diǎn)多面廣,根據(jù)專(zhuān)業(yè)與方向進(jìn)行處理得不多,理論分析與工程應(yīng)用的矛盾明顯。

2)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)能力差,特別是課程設(shè)計(jì),滿足不了實(shí)踐創(chuàng)新的需要。

3)教師精心編寫(xiě)的實(shí)驗(yàn)講義與商業(yè)化的實(shí)驗(yàn)箱的完美結(jié)合,現(xiàn)代教學(xué)手段的普及推廣,對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高利弊參半,該如何取舍？

東莞理工學(xué)院電子信息工程專(zhuān)業(yè)是國(guó)家特色建設(shè)專(zhuān)業(yè),同時(shí)也是教育部卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃的實(shí)施專(zhuān)業(yè),該課程是校級(jí)精品課程,目前IT類(lèi)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生核心專(zhuān)業(yè)能力基本上都定位在使用集成電路、設(shè)計(jì)集成電路、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的能力等方面[2,4-5]。數(shù)字電子技術(shù)恰恰是這些核心能力培養(yǎng)的基礎(chǔ),為迎合新形勢(shì)下的需要,從人才培養(yǎng)要求出發(fā),我們對(duì)該課程在理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐方面進(jìn)行了教學(xué)探索與改革。

1 改革目標(biāo)

1.1 規(guī)范教學(xué)文件

按照學(xué)校統(tǒng)一部署,參照高等教育國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)通行的做法,設(shè)計(jì)“數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)大綱”,大綱在課程目標(biāo)、基本概念、設(shè)計(jì)思路、課程內(nèi)容突破傳統(tǒng)教學(xué)大綱的束縛,將素質(zhì)教育、能力為本的教學(xué)理念融于其中。

1.2 改進(jìn)教學(xué)目標(biāo)

課程定位在培養(yǎng)學(xué)生具有數(shù)字電子電路和基本脈沖電路的基本知識(shí),以及應(yīng)用這些知識(shí)進(jìn)行電路的分析和設(shè)計(jì)的能力。為計(jì)算機(jī)系列課程打下基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、教學(xué)課件、課程設(shè)計(jì)等方面在考慮學(xué)生具有較扎實(shí)的理論基礎(chǔ)的同時(shí),都應(yīng)把培養(yǎng)學(xué)生綜合能力放在重要位置[3-4]。

1.3 修改課程目標(biāo)

1)知識(shí)與技能目標(biāo):要求學(xué)生掌握數(shù)字電路的概念、邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、門(mén)電路、觸發(fā)器的基本知識(shí),較深入地理解數(shù)字組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路和脈沖電路的產(chǎn)生和整形;了解半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件的特點(diǎn)、可編程邏輯器件的初步知識(shí);熟悉A/D、D/A的工作原理以及常見(jiàn)的類(lèi)型、特點(diǎn)。

2)過(guò)程與方法目標(biāo):數(shù)電教學(xué)是激發(fā)創(chuàng)新精神的源頭之一,通過(guò)對(duì)一些經(jīng)典數(shù)字產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制作,激發(fā)學(xué)生對(duì)課程和電子技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)自我創(chuàng)新意識(shí)。了解現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本過(guò)程[4-5]。

2 理論教學(xué)改革

2.1 揚(yáng)長(zhǎng)避短合理運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段

圖1是本課程教學(xué)改革總體設(shè)計(jì)圖,在教學(xué)中對(duì)多媒體投影要揚(yáng)其長(zhǎng)避其短,對(duì)于各種數(shù)字電路的分析與設(shè)計(jì)案例,教學(xué)中堅(jiān)持:對(duì)于邏輯電路的分析與設(shè)計(jì),特別是時(shí)序電路,必須用粉筆在黑板上“脫稿”與學(xué)生一道“共同”來(lái)體驗(yàn)分析與設(shè)計(jì)的全過(guò)程。

圖1 數(shù)電教學(xué)改革方案

2.2 從專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用出發(fā)，理論講授有取有舍

1)對(duì)常用的組合邏輯電路只以2個(gè)為案例(如譯碼器、數(shù)據(jù)比較器)來(lái)具體講解,重點(diǎn)講解分析方法、宏觀特性及應(yīng)用。

2)對(duì)各觸發(fā)器重點(diǎn)放在分析方法、功能特點(diǎn)的歸納及其應(yīng)用上。如JK觸發(fā)器功能歸納為“J0K0不變,J1K1翻轉(zhuǎn),JK不同隨J變”,對(duì)于下跳翻轉(zhuǎn)的主從JK,在CLK=1期間,若JK有多次變化時(shí),不能簡(jiǎn)單地用以上順口溜來(lái)確定輸出,而必須用到:在Q=0時(shí)只要J=1就有Q=1,J再回到0仍有Q =1;在Q=1時(shí)只要K=1就有Q=0,K再回到0仍有Q=0。對(duì)學(xué)生來(lái)言,既要讓學(xué)生掌握上述結(jié)論,又能熟練地應(yīng)用到實(shí)際的電路分析,同時(shí)要讓學(xué)生理解其分析方法。

3)對(duì)教材中的半導(dǎo)體存貯器、可編程器件、硬件描述語(yǔ)言簡(jiǎn)介3章僅作簡(jiǎn)單的介紹[6-8]。對(duì)門(mén)電路弱化理論性過(guò)強(qiáng)的微電子信號(hào)分析,而對(duì)常用芯片的輸入輸出特性、引腳處理做較強(qiáng)的講述分析和引導(dǎo)。對(duì)于555,功能表需要對(duì)照電路來(lái)分析,而后續(xù)的應(yīng)用把555作為一個(gè)功能塊來(lái)分析即可。

4)對(duì)ADC轉(zhuǎn)換,在講述轉(zhuǎn)換原理時(shí),要與量化、分辨率、精度、速度等指標(biāo)聯(lián)系起來(lái),突出應(yīng)用,強(qiáng)調(diào)實(shí)用中特別關(guān)注的精度、位數(shù)、價(jià)格、速度、LSB、FSR、3位半等概念。

2.3 軟件仿真

鼓勵(lì)學(xué)生課外運(yùn)用Multisim軟件來(lái)分析驗(yàn)證電路原理,完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的仿真,降低設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境與成本,提高實(shí)驗(yàn)效率。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為:驗(yàn)證性3個(gè),驗(yàn)證+設(shè)計(jì)性2個(gè),設(shè)計(jì)性1個(gè),綜合+設(shè)計(jì)性1個(gè),分配4學(xué)時(shí)。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)在該實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的前一個(gè)月通過(guò)該校級(jí)精品課程網(wǎng)站發(fā)放任務(wù)書(shū)。

3.2 “無(wú)實(shí)驗(yàn)講義的實(shí)驗(yàn)”探索

所謂“無(wú)實(shí)驗(yàn)講義的實(shí)驗(yàn)”,指對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),沒(méi)有實(shí)驗(yàn)講義,只有任務(wù)書(shū),學(xué)生自行查資料,自己編排實(shí)驗(yàn),自己利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備或自制的便攜設(shè)備自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn),教師負(fù)責(zé)答疑和結(jié)果考核。

3.3 課程設(shè)計(jì)改革

1)任務(wù)書(shū)的改進(jìn):課程設(shè)計(jì)選題1周,命題突出實(shí)用性、綜合性、設(shè)計(jì)性,設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中主要提出設(shè)計(jì)任務(wù)、技術(shù)指標(biāo)、實(shí)驗(yàn)方法、報(bào)告要求、給出設(shè)計(jì)參考框圖、可供器件、實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵注意事項(xiàng)等,類(lèi)似“無(wú)實(shí)驗(yàn)講義的實(shí)驗(yàn)”教學(xué)。任務(wù)書(shū)重在給學(xué)生一個(gè)提示性的引導(dǎo),設(shè)計(jì)中要充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性思維,強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。如函數(shù)信號(hào)發(fā)生器任務(wù)書(shū)的主要內(nèi)容設(shè)計(jì)如下:

一.技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)200Hz-4KHz可調(diào)的鋸齒波和階梯波產(chǎn)生電路,而且可以從已燒錄好的存儲(chǔ)器中取出正弦數(shù)據(jù),產(chǎn)生正弦波形。

二.設(shè)計(jì)參考框圖如圖2。

圖2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)框圖

三.實(shí)驗(yàn)方法

1.教師提供設(shè)計(jì)框圖和元件清單,學(xué)生自己查閱資料設(shè)計(jì)電路。

2.教師提供已燒錄好的存儲(chǔ)器。

3.學(xué)生在實(shí)驗(yàn)箱上連線、調(diào)試電路、測(cè)出波形。

四.課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求重點(diǎn)寫(xiě)出組裝調(diào)試的內(nèi)容、調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法,總結(jié)設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)和方案的優(yōu)缺點(diǎn),指出課題的核心及實(shí)用價(jià)值,提出改進(jìn)意見(jiàn)和展望。

五.注意事項(xiàng)1.運(yùn)放需要雙電源供電;2.調(diào)整線路前,必須先關(guān)掉電源;3.Rw1、Rw2可用實(shí)驗(yàn)箱上的可調(diào)電位器。

六.可提供的元件:CD40106、DAC0832、CD40193、28c64、74LS151、uA741、74LS08、74LS00、4.7k、10k、47k、1k、0.001uF

七.擴(kuò)展部份:在鋸齒波電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)三角波發(fā)生器、幅度控制、任意波產(chǎn)生。

八.提示.計(jì)數(shù)器做加法可得正向鋸齒波,做減法則輸出負(fù)向鋸齒波。交替做加減可得三角波。

2)知識(shí)技術(shù)補(bǔ)充:課程設(shè)計(jì)中,由于有些知識(shí)學(xué)生還未涉及,需要給學(xué)生集體指導(dǎo),如《函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)》項(xiàng)目需從實(shí)用角度介紹EPROM的基本類(lèi)型、三總線、存儲(chǔ)容量、寫(xiě)入擦洗讀取方法等基本原理與使用要領(lǐng);簡(jiǎn)單說(shuō)明DAC0832雙極性輸出的必要性及實(shí)現(xiàn)電路;28c64的內(nèi)容(有正弦波、鋸齒波等)由老師燒錄好提供給學(xué)生。

3)課程設(shè)計(jì)驗(yàn)收:采取現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收答辯的方式,從理論設(shè)計(jì)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果上綜合考察。如《函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)》項(xiàng)目分基礎(chǔ)部分與擴(kuò)展部分來(lái)考核,基礎(chǔ)部分包括基本電路原理、頻率計(jì)算與調(diào)節(jié)、信號(hào)波形參數(shù)的讀取;擴(kuò)展部分包括輸出信號(hào)的幅度控制原理與實(shí)現(xiàn)方法,任意波形的產(chǎn)生原理與實(shí)現(xiàn),能否利用地址循環(huán)方法實(shí)現(xiàn)鋸齒波到三角波的變換,正弦波信號(hào)存儲(chǔ)器芯片數(shù)據(jù)的獲取與燒錄等。

3.4 自制便攜式的數(shù)字電路系列實(shí)驗(yàn)箱（板），拓展學(xué)生實(shí)驗(yàn)的“時(shí)空”

教師帶領(lǐng)部分優(yōu)秀學(xué)生,制作了系列課程設(shè)計(jì)教學(xué)示范板,該板在實(shí)現(xiàn)基本功能和擴(kuò)展功能的同時(shí),適當(dāng)?shù)乜紤]了系統(tǒng)擴(kuò)展,具有較多的測(cè)試點(diǎn)、連接插孔、撥動(dòng)開(kāi)關(guān)、芯片插座等,便于修改電路和測(cè)試。對(duì)鼓勵(lì)學(xué)生完成設(shè)計(jì)、工程制作、激發(fā)靈感,具有較好的示范和激勵(lì)效果。近5年來(lái)自制便攜式數(shù)字電路系列實(shí)驗(yàn)箱2種近200套,廣泛用于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的“時(shí)間”、“空間”限制。

4 實(shí)踐結(jié)果及思考

通過(guò)改革實(shí)踐表明,學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)突出了重點(diǎn),分析能力與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力有所提高,在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)改革中,電子工程學(xué)院經(jīng)過(guò)3次調(diào)查,學(xué)生認(rèn)為很好的比例分別是:97.47%、92%、97.3%。課程設(shè)計(jì)實(shí)踐結(jié)果表現(xiàn)為:大部分學(xué)生能基本完成功能的實(shí)現(xiàn)方法、器件選擇、線路設(shè)計(jì)連接、功能驗(yàn)證、參數(shù)測(cè)量等,擴(kuò)展部分在教師的引導(dǎo)下能基本完成設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。學(xué)生的綜合能力得到了有效的訓(xùn)練。

通過(guò)改革,筆者認(rèn)為:數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)應(yīng)重在電路的分析方法、集成電路的功能與應(yīng)用設(shè)計(jì)上,實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“無(wú)實(shí)驗(yàn)講義的實(shí)驗(yàn)”、拓展學(xué)生“時(shí)空”的課外實(shí)驗(yàn)設(shè)施對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)與動(dòng)手能力的提高有著較大的推動(dòng)作用。

但還存在以下問(wèn)題值得思考:

1)在教材選用上,目前選用清華大學(xué)閻石《數(shù)字電子技術(shù)》第5版。筆者認(rèn)為可以值得商榷,我們以突出應(yīng)用和綜合能力培養(yǎng)為目標(biāo),其教材也應(yīng)突出這一主題。2)數(shù)電作為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,如何能與企業(yè)項(xiàng)目對(duì)接,“真槍實(shí)彈”地干？

[1] 劉銀萍,陳惠珊.“數(shù)字電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2006(8):981-983.

[2] 薛延俠,鄭燕.“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)改革的探討[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào),2006(1):116-118.

[3] 葉婭.深化數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)改革[J].長(zhǎng)江職工大學(xué)學(xué)報(bào),2000,17(1):58-59.

[4] 黃解軍,袁艷斌,崔巍,等.創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2007(5):80-82.

[5] 黃揚(yáng)帆,甘平.電子類(lèi)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2009(3):25-27.

[6] 曾惠霞.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革的探索[J].廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2010,31(6):59-60.

[7] 劉銀萍,王晗.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的改革與探索[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2010(5):105-107.

[8] 葉秉良,戴文戰(zhàn),楊蔚琪,等.基于"三點(diǎn)一線"模式建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的創(chuàng)新思路[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2007,26(9):69-71.

The Teaching and Experimental Re form in Digital Electronic Technology

LEIRu i-ting SONG Yue YANG Jie LIM ing-xu
(College of Electronics Engineering,Dongguan University of Technology,Dongguan 523808,China)

In the teaching of digital electronic technology in teaching-oriented colleges,and relying on national characteristic specialty construction,the principle of“thickening foundation,emphasizing application”was used.The teaching was designed and practiced by the design of curriculum goal,theory teaching,experiment teaching for the communications professional engineering and electronic information engineering.The practice proved that the construction was effective.In this paper teaching design,practice process,thinking were discussed,meanwhile curriculum design case and process of teaching practice were introduced.

course outline;curriculum design;practice and innovation;experimental teaching

TP301

A

1009-0312(2015)01-0104-04

2014-09-03

教育部財(cái)政部第四批高等學(xué)校特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)點(diǎn)項(xiàng)目TS11659;2013年廣東省精品資源共享課建設(shè)項(xiàng)目;東莞理工學(xué)院2012年教學(xué)研究與改革項(xiàng)目;東莞理工學(xué)院2012年精品資源共享課項(xiàng)目。

雷瑞庭(1980—),男,湖南郴州人,學(xué)士,實(shí)驗(yàn)師,主要從事電子信息工程、創(chuàng)新與實(shí)驗(yàn)研究。