張國(guó)玉
(南京工程學(xué)院 工業(yè)中心,江蘇 南京 211100)
數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程是電類專業(yè)的一門主要技術(shù)類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程,同時(shí)也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[1-2]。課程的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生合理運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí),以科學(xué)的思維方式分析問題和解決問題的工程實(shí)踐能力[3]。鑒于目前企業(yè)對(duì)人才創(chuàng)新實(shí)踐能力的要求越來越高,學(xué)生能否扎實(shí)地掌握數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)技能,具備自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手應(yīng)用能力,對(duì)后續(xù)課程學(xué)習(xí)及職業(yè)規(guī)劃將產(chǎn)生直接的影響。為此,南京工程學(xué)院針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題,如實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一,教學(xué)方式不當(dāng),考核方法不合理等,采取了一系列相應(yīng)的教學(xué)改革措施,并取得了明顯的成效。
以往的教學(xué)內(nèi)容主要參照學(xué)院教師團(tuán)隊(duì)自編的實(shí)驗(yàn)教材,以理論教學(xué)涉及的芯片應(yīng)用電路設(shè)計(jì)為主,如使用74138、74151、74160芯片,主要起鞏固理論教學(xué)知識(shí)的目的。但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不能僅局限于對(duì)數(shù)字電子技術(shù)理論知識(shí)的認(rèn)知與驗(yàn)證,還必須形成基礎(chǔ)認(rèn)知、初步設(shè)計(jì)、綜合應(yīng)用、研究創(chuàng)新等環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[4]。學(xué)院針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)單一,實(shí)驗(yàn)選題偏少,不同實(shí)驗(yàn)選題不能有效建立聯(lián)系,創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)比例偏少等問題,主要從層次性、實(shí)用性和多樣性這3個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)。
數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)主要分為驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要是了解實(shí)驗(yàn)基本儀器使用和實(shí)驗(yàn)方法,簡(jiǎn)單測(cè)試集成芯片邏輯功能。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)主要是根據(jù)設(shè)計(jì)要求,獨(dú)立完成一個(gè)功能電路的搭建和調(diào)試。綜合型實(shí)驗(yàn)包含了數(shù)字電子技術(shù)理論課程的多個(gè)知識(shí)點(diǎn),重在提高學(xué)生學(xué)以致用的能力和創(chuàng)新思維水平。遵循學(xué)生對(duì)知識(shí)認(rèn)知循序漸進(jìn)的原則,以由簡(jiǎn)到繁,由易到難,由單元電路到系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)為思路,學(xué)院在增加設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)比重基礎(chǔ)上,仍保留驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。目前實(shí)驗(yàn)課程中驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)比例為 2∶5∶3。
另外,授課時(shí)還需注意學(xué)生知識(shí)接受能力和動(dòng)手實(shí)踐能力的差異性。一部分學(xué)生理論基礎(chǔ)知識(shí)薄弱,數(shù)字電子技術(shù)這門課程學(xué)完后對(duì)集成芯片引腳圖、功能表了解甚微,更不要說設(shè)計(jì)和調(diào)試實(shí)際功能電路。實(shí)驗(yàn)操作時(shí),也經(jīng)常出現(xiàn)各種問題,如芯片忘記供電等,實(shí)驗(yàn)完成進(jìn)度緩慢。還有部分學(xué)生理論基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí),對(duì)實(shí)驗(yàn)課程感興趣,電路設(shè)計(jì)已在課程預(yù)習(xí)時(shí)完成,課堂上實(shí)驗(yàn)操作很快完成,剩余大量時(shí)間不能有效利用。為了兼顧這兩類學(xué)生,考慮到他們的差異性,教學(xué)內(nèi)容應(yīng)有一定的擴(kuò)展性,或設(shè)計(jì)一些選做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,為那些學(xué)有余力的學(xué)生提供一定的能力發(fā)展空間[5]。
為了激發(fā)學(xué)生的探究欲望,以及讓學(xué)生感受到所學(xué)的理論知識(shí)是切實(shí)有用的,設(shè)計(jì)綜合型選題應(yīng)盡量選取與實(shí)際生產(chǎn)生活密切相關(guān)的,如八人搶答器、循環(huán)彩燈控制、數(shù)字時(shí)鐘等。這樣一方面較熟悉的實(shí)際問題有利于學(xué)生將其抽象為邏輯問題,另一方面真正做到了學(xué)有所用、學(xué)以致用,有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。另外,實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果最好能產(chǎn)生有形的結(jié)果,如LED顯示、數(shù)碼管顯示等。這樣學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)時(shí),看到正確顯示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象會(huì)有成就感,慢慢地對(duì)這門課程產(chǎn)生興趣。
由于本院班級(jí)多,實(shí)驗(yàn)教師相對(duì)較少,實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)空間有限,相同專業(yè)不同班級(jí)學(xué)生上課時(shí)間不能統(tǒng)一。一個(gè)班級(jí)先做實(shí)驗(yàn),另一個(gè)班級(jí)后做實(shí)驗(yàn),如果實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完全一致,很難杜絕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互參考的現(xiàn)象,而且大大降低了后面班級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,實(shí)驗(yàn)效果較差。為了從根本上解決這個(gè)問題,學(xué)院教師設(shè)計(jì)了多種不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,確保不同班級(jí)教學(xué)內(nèi)容不完全一致,在有效解決實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互參考問題的同時(shí),也豐富了教學(xué)資源。在此基礎(chǔ)上,學(xué)院教師還設(shè)計(jì)了多種創(chuàng)新型、綜合型項(xiàng)目,供學(xué)生自主選擇訓(xùn)練,一般以小組團(tuán)隊(duì)合作方式完成。
傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用灌輸式教學(xué),以教師為主體,學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的地位[6]。整個(gè)教學(xué)過程通常如下:首先,教師從實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等多方面進(jìn)行講解,詳細(xì)至極;然后,學(xué)生根據(jù)教師講解,對(duì)照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上操作步驟,按部就班地完成電路搭建和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。甚至有些學(xué)生電路原理還沒搞清楚,就直接按照指導(dǎo)老師給出的電路圖,對(duì)應(yīng)芯片引腳進(jìn)行電路搭建。
這種教學(xué)方式雖然避免了很多可能出現(xiàn)問題的地方,學(xué)生能快速完成實(shí)驗(yàn),得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),但不利于其分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程中很難有自己的想法,創(chuàng)造性和積極性得不到有效激發(fā),大大降低了學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)的興趣。因此,學(xué)院從3個(gè)方面對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行了改進(jìn)。
為了提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力,激發(fā)其科學(xué)思維方法,學(xué)院將教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)?“以學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo)”。具體是指實(shí)驗(yàn)任務(wù)只給出設(shè)計(jì)要求和原理,不再給出詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)圖,讓學(xué)生自己思考如何進(jìn)行電路設(shè)計(jì),讓其在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題,并獨(dú)自分析和解決問題。教師在實(shí)驗(yàn)過程中只起引導(dǎo)性作用,但實(shí)驗(yàn)完成后,要注意啟發(fā)學(xué)生多思考和總結(jié)[7],比如全加器電路可以用小規(guī)模集成芯片74LS86和 74LS00實(shí)現(xiàn),也可利用 74LS138和74LS20實(shí)現(xiàn),從這兩種電路設(shè)計(jì)的區(qū)別總結(jié)出中小規(guī)模集成芯片設(shè)計(jì)組合邏輯電路所存在的優(yōu)缺點(diǎn)。
在電路調(diào)試檢測(cè)時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)電路產(chǎn)生故障,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與設(shè)計(jì)需求不符,不能按預(yù)定的邏輯功能正常工作。多數(shù)學(xué)生會(huì)選擇把所有連線拔掉,重新再來,重連后還是不成功就認(rèn)為實(shí)驗(yàn)箱有問題或者找教師幫忙解決。為提高學(xué)生排查故障和解決問題的能力,第一次實(shí)驗(yàn)課時(shí)教師就應(yīng)向?qū)W生講清電路調(diào)試和故障排查的重要性,以及電路故障可能出現(xiàn)的原因及排查方法,如用數(shù)字萬用表測(cè)試導(dǎo)線通斷等。實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生出錯(cuò)時(shí),應(yīng)耐心引導(dǎo)學(xué)生去排查可能出現(xiàn)的問題,而不是教師替學(xué)生完成故障排查。發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程才是學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)步的過程。
改革后的教學(xué)模式要求學(xué)生在沒有詳細(xì)電路設(shè)計(jì)圖的情況下自行完成電路設(shè)計(jì)與搭建調(diào)試。如果學(xué)生課前預(yù)習(xí)不充分,一方面不熟悉實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?、?nèi)容以及注意事項(xiàng)等,實(shí)驗(yàn)帶有很大的盲目性,電路設(shè)計(jì)困難,也預(yù)計(jì)不到可能出現(xiàn)的問題;另一方面在課堂上才進(jìn)行電路設(shè)計(jì),動(dòng)手操作時(shí)間相對(duì)減少,從而使課堂效率降低。為此,學(xué)院教師在實(shí)驗(yàn)課前預(yù)先布置下節(jié)課實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,要求學(xué)生充分預(yù)習(xí)并寫預(yù)習(xí)報(bào)告,主要是完成電路設(shè)計(jì)。對(duì)實(shí)驗(yàn)有基本認(rèn)知后,操作時(shí)才能做到有的放矢,提高課堂效率。
傳統(tǒng)的 “板書”授課、“言傳身教”以及采用多媒體課件等教學(xué)手段有諸多弊端,如上課效率低下,無法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,限制學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。為了更好地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,加強(qiáng)師生間的交流互動(dòng),學(xué)院將網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)、開放實(shí)驗(yàn)室等新思維與傳統(tǒng)教學(xué)手段有機(jī)結(jié)合,充分利用各種教學(xué)手段的優(yōu)點(diǎn),形成多元化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段。實(shí)踐表明,運(yùn)用這些教學(xué)手段能達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。
以往,實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)生操作時(shí)一般均通過在實(shí)驗(yàn)箱上手工連線完成電路搭建,然后進(jìn)行電路測(cè)試,觀察輸入和輸出,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求,需要變換電路并重新調(diào)試,直至輸出結(jié)果與設(shè)計(jì)要求一致。當(dāng)電路非常復(fù)雜時(shí),學(xué)生多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作會(huì)降低實(shí)驗(yàn)效率,損耗器材的同時(shí),也容易產(chǎn)生厭煩情緒,喪失學(xué)習(xí)熱情。
EDA技術(shù)是高校實(shí)驗(yàn)課程改革的必然趨勢(shì),利用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)的軟件化,有效提高了實(shí)驗(yàn)效率[8]。對(duì)于驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),學(xué)生只需利用EDA軟件對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試和仿真,即可達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。對(duì)于設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生先仿真設(shè)計(jì)電路,確定設(shè)計(jì)無誤后,再在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行電路搭建,這樣可以減少因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致的器材損耗并有效提高實(shí)驗(yàn)效率[9]。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中經(jīng)常需要對(duì)一些復(fù)雜的電路進(jìn)行演示說明,傳統(tǒng)教學(xué)一般是教師選用一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱,學(xué)生圍在其周圍進(jìn)行觀摩學(xué)習(xí)。由于場(chǎng)地的限制,一般只有少數(shù)前排學(xué)生能看清楚演示過程,后面的學(xué)生只能再向這些學(xué)生請(qǐng)教。學(xué)院教師目前利用攝像技術(shù),課前記錄下實(shí)驗(yàn)演示過程,上課時(shí)運(yùn)用多媒體設(shè)備進(jìn)行播放,保證所有學(xué)生均能看到演示,自行操作時(shí)有個(gè)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(xué)生播放一些案例性教學(xué)視頻,使教學(xué)情景立體化和多樣化,可以激發(fā)學(xué)生思考,加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。
為方便學(xué)生自主學(xué)習(xí),學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)建立了網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái),提供多媒體課件、視頻教學(xué)案例及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等教學(xué)資源的下載。基于教學(xué)內(nèi)容的改革,實(shí)驗(yàn)教材也進(jìn)行了相應(yīng)的修改和完善,增加了綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)比例的同時(shí),去除了具體的實(shí)驗(yàn)步驟。每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只給出具體的功能要求,不限定學(xué)生使用何種芯片、設(shè)計(jì)何種電路,有利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。另外,學(xué)生可在網(wǎng)上針對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行提問,教師及時(shí)做出解答,師生間的互動(dòng)交流可變學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí),進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。同時(shí),教師也可以依據(jù)學(xué)生提出的疑問和建議及時(shí)調(diào)整授課內(nèi)容及方向,有利于提高教學(xué)效果。
開放實(shí)驗(yàn)室是指實(shí)驗(yàn)室提供可能用到的儀器設(shè)備和電子元件,學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)興趣在網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)選擇合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,由學(xué)生個(gè)人或團(tuán)隊(duì)協(xié)作在業(yè)余時(shí)間來實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在整個(gè)過程中,教師并不會(huì)過多干預(yù),由學(xué)生自行查閱文獻(xiàn),了解實(shí)驗(yàn)原理,通過合作與交流,不斷完成電路設(shè)計(jì),形成探究能力。如此,不僅提高了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐技能和查閱文獻(xiàn)能力,還能充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源,提高儀器設(shè)備利用率。目前學(xué)院開放實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目主要有智能交通燈控制系統(tǒng)、數(shù)字頻率計(jì)、智能競(jìng)賽搶答器設(shè)計(jì)、多路防盜報(bào)警電路設(shè)計(jì)等。
實(shí)驗(yàn)考核方式是否合理和公正直接關(guān)系到每個(gè)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的重視程度,以往以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主、考勤為輔的考核方式存在明顯的缺陷,不能準(zhǔn)確衡量學(xué)生課程學(xué)習(xí)后的成效。為此,學(xué)院建立了一套行之有效的考核制度,在教學(xué)考核機(jī)制中增加考試環(huán)節(jié),并取締紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,了解及提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,保證教學(xué)改革順利進(jìn)行,學(xué)院增加了實(shí)驗(yàn)考試環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)考卷由教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容擬定,一套試卷對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,主要考查學(xué)生對(duì)儀器的熟練使用,對(duì)數(shù)字電子技術(shù)理論知識(shí)的掌握程度,動(dòng)手實(shí)踐能力以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量、分析能力。試卷主要分為實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析、實(shí)驗(yàn)操作和思考題4個(gè)部分,其中實(shí)驗(yàn)操作由教師現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收打分,占卷面成績(jī)的35%。另外,為多方位考查學(xué)生對(duì)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的了解,學(xué)院一般每年命題四套試卷,由學(xué)生抽簽決定考題,教師可根據(jù)答題情況適時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)難度。
以往學(xué)生上交的紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告大多抄寫了大量實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理等文字性內(nèi)容,而電路圖設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析處理部分一帶而過,本末倒置。為了督促學(xué)生預(yù)習(xí),合理利用時(shí)間及真正體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告的作用,學(xué)院教師提出取締紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告,提交電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告的方案。學(xué)生可直接復(fù)制實(shí)驗(yàn)教材中實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理等內(nèi)容,而把時(shí)間精力用于電路預(yù)先設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析處理等方面。另外,實(shí)驗(yàn)課前所有學(xué)生均需向?qū)嶒?yàn)老師發(fā)送預(yù)習(xí)報(bào)告,實(shí)驗(yàn)教師對(duì)報(bào)告中電路設(shè)計(jì)圖進(jìn)行檢查,作為預(yù)習(xí)考核指標(biāo)的同時(shí),也可在課上重點(diǎn)關(guān)注電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的同學(xué)。
實(shí)驗(yàn)成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末卷面成績(jī)綜合評(píng)定,本著 “輕結(jié)果、重過程”的原則[11],平時(shí)成績(jī)占60%,期末卷面成績(jī)占40%。平時(shí)成績(jī)具體考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和分配方法如表1所示[12]。
表1 實(shí)驗(yàn)平時(shí)成績(jī)考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重分配
通過本次教學(xué)改革與實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情高漲,自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力都得到了很大的提升。最為明顯的是對(duì)理論知識(shí)的掌握更為深刻,經(jīng)了解,教改后數(shù)字電子技術(shù)理論課及格率提高,卷面中相關(guān)簡(jiǎn)單應(yīng)用電路設(shè)計(jì)基本都能完成。但在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,也還有很多工作需要改進(jìn),如針對(duì)不同專業(yè)的學(xué)生增設(shè)更多新穎的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,加大實(shí)驗(yàn)室管理力度,包括維修常用儀器和提供實(shí)驗(yàn)芯片,為學(xué)生提供良好的教學(xué)環(huán)境等。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工程,需要每一位教師勇于探索和實(shí)踐,這樣才能不斷提高教學(xué)質(zhì)量,為培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維能力和工程實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
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實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)2018年2期