張雅楠 張姍姍

摘要：為了提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，對(duì)數(shù)字系統(tǒng)與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革。包括優(yōu)化調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;引入現(xiàn)代化信息技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué);采用啟發(fā)式教學(xué)鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力，引導(dǎo)其自主學(xué)習(xí)。實(shí)踐結(jié)果表明改革后的實(shí)驗(yàn)課程能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提升了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：能力培養(yǎng);實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;信息技術(shù);啟發(fā)性教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）34-0122-02

數(shù)字系統(tǒng)與邏輯設(shè)計(jì)課程是電子信息類專業(yè)一門必修的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)應(yīng)用型高級(jí)工程技術(shù)人才的一個(gè)非常關(guān)鍵和重要的環(huán)節(jié)，可以大幅度提升學(xué)生的動(dòng)手能力、理論聯(lián)系實(shí)際的能力和創(chuàng)新思維能力[1]。隨著新一輪教學(xué)改革的深入，本文以數(shù)字系統(tǒng)與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程的持續(xù)改革為核心，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)方法進(jìn)行了改革探索，從而變實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)為實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)，不斷提高學(xué)生工程應(yīng)用能力和自主創(chuàng)新能力。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)明顯附屬于理論教學(xué)，目的主要是驗(yàn)證和加強(qiáng)對(duì)部分理論知識(shí)點(diǎn)的理解。因此設(shè)計(jì)的各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相對(duì)獨(dú)立，關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)[2，3]，不利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)字電路知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。而且實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目偏于理論化，脫離日常生活，不利于鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。針對(duì)這些問(wèn)題，結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)編寫了校本實(shí)驗(yàn)教材，包括如下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1.1合理分配不同類型實(shí)驗(yàn)的比例

實(shí)驗(yàn)一、四、十、十一以驗(yàn)證內(nèi)容為主，目的是讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法、數(shù)字邏輯電路的搭建和功能驗(yàn)證方法。其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以設(shè)計(jì)性內(nèi)容為主，只給出集成電路型號(hào)和要求實(shí)現(xiàn)的功能，不再固定具體的實(shí)驗(yàn)步驟，由學(xué)生查閱資料，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、撰寫報(bào)告的過(guò)程。如設(shè)計(jì)“交通燈故障檢測(cè)器”“輸血適配器”“流水燈電路”等，讓學(xué)生邊做邊學(xué)，從而鍛煉應(yīng)用數(shù)字系統(tǒng)與邏輯設(shè)計(jì)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)十二為綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，用于考核學(xué)生對(duì)門電路、組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的綜合應(yīng)用、設(shè)計(jì)能力，以及分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、排除故障的能力，題目為多選一，如“汽車尾燈控制器”“籃球記分器”“搶答器”等。

1.2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)用性和趣味性 設(shè)計(jì)每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，不再以驗(yàn)證理論教材的知識(shí)點(diǎn)為主，而是考慮電路的實(shí)用性、趣味性，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，變被動(dòng)驗(yàn)證為主動(dòng)探索，應(yīng)用理論知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。如“譯碼器和數(shù)碼顯示實(shí)驗(yàn)”中，為了讓學(xué)生掌握譯碼器的片選功能和數(shù)碼管的顯示原理，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：首先讓若干數(shù)碼管顯示“ □□ ”等數(shù)字諧音碼，然后利用譯碼器任意控制某個(gè)數(shù)碼管的點(diǎn)亮和熄滅。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生們都積極地進(jìn)行設(shè)計(jì)和演示，部分學(xué)生的電路結(jié)構(gòu)和顯示結(jié)果很有新意。

1.3 遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)必須遵循從基本操作技能到綜合設(shè)計(jì)能力的過(guò)渡[4]，所以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分成基本部分和擴(kuò)展部分，根據(jù)學(xué)生的具體情況做到因材施教。譬如在完成“觸發(fā)器構(gòu)成4位移位寄存器”實(shí)驗(yàn)后，有能力的學(xué)生可以選做“流水燈電路”的設(shè)計(jì)，使實(shí)踐能力得到進(jìn)一步提升。

2 信息技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)

數(shù)字系統(tǒng)與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，電路連線復(fù)雜容易出錯(cuò)，排查故障困難，極易打擊學(xué)生的熱情。學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，經(jīng)常受到實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有元器件的制約，不能充分發(fā)揮創(chuàng)造性。采用現(xiàn)代化信息技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種行之有效的解決方案。

2.1 多媒體技術(shù)的應(yīng)用

多媒體技術(shù)具有豐富的表現(xiàn)形式，可以多方位刺激學(xué)生的感官，從而提高學(xué)習(xí)效率。先進(jìn)的信息技術(shù)可以創(chuàng)造出生動(dòng)形象的教學(xué)情境，從而激發(fā)學(xué)生的興趣，主動(dòng)學(xué)習(xí)。

為了鍛煉學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，我們制作了“數(shù)字電路常用儀器”課件，包括實(shí)驗(yàn)箱、集成電路測(cè)試儀和示波器。制作時(shí)采集了大量實(shí)物圖片，盡量還原現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，使學(xué)生最大限度地熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備。課件具有明確的提示和清晰的導(dǎo)航按鈕，使用方便。如鼠標(biāo)劃過(guò)儀器圖片，屏幕提示該儀器在實(shí)驗(yàn)中的作用，并說(shuō)明點(diǎn)擊圖片可查看具體的使用過(guò)程。課件還充分利用人機(jī)交互功能，使學(xué)生邊瀏覽邊動(dòng)手操作，切實(shí)鍛煉實(shí)驗(yàn)技能，以便于在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中提高成功率。

為了使學(xué)生牢固掌握數(shù)字電路理論知識(shí)，從而在綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠得心應(yīng)手，我們制作了“數(shù)字系統(tǒng)與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”課件，內(nèi)容包括理論知識(shí)、故障排查和習(xí)題測(cè)試。理論知識(shí)主要以動(dòng)畫(huà)的形式介紹了常用集成電路的封裝、型號(hào)和邏輯功能;故障排查列舉了常見(jiàn)故障現(xiàn)象、可能原因和檢查方法，以引導(dǎo)學(xué)生自行解決問(wèn)題;習(xí)題測(cè)試檢查學(xué)生的自學(xué)情況。

多媒體課件的使用，使學(xué)生在任何時(shí)間地點(diǎn)都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，從而鍛煉動(dòng)手能力，提高實(shí)驗(yàn)效率。

2.2 虛擬仿真軟件的應(yīng)用

Multisim14仿真軟件非常適合數(shù)字系統(tǒng)與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其自帶的元件庫(kù)涵蓋了絕大多數(shù)常用電子元器件，可以方便地進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)與仿真分析[5，6]。虛擬實(shí)驗(yàn)在本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下方面：

1）掌握常用集成電路的邏輯功能：每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都涉及一種新的集成電路，可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前通過(guò)仿真軟件查看其邏輯功能，且可多次反復(fù)操作，以提高熟練程度，從而為后續(xù)的設(shè)計(jì)內(nèi)容打好基礎(chǔ)。

2）驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)部分，學(xué)生可以通過(guò)仿真軟件進(jìn)行功能驗(yàn)證，通過(guò)后再在實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)際電路完成。如果發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案有問(wèn)題，或者電路太過(guò)復(fù)雜，還可以方便地通過(guò)軟件進(jìn)行修改，省去了在實(shí)驗(yàn)箱上多次連線、排查故障的過(guò)程。通過(guò)仿真軟件，還可以方便地對(duì)多種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并查看結(jié)果比對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)。

采用虛擬仿真軟件輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成功率，開(kāi)拓了學(xué)生的數(shù)字電路設(shè)計(jì)思維，得到了良好的教學(xué)效果。

3 啟發(fā)式教學(xué)方法鍛煉學(xué)生的數(shù)字邏輯思維

啟發(fā)式教學(xué)作為一種教學(xué)指導(dǎo)思想和總的教學(xué)方法，已為廣大教育工作者所熟悉和接受。在數(shù)字系統(tǒng)與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用啟發(fā)式教學(xué)方法，主要應(yīng)注重啟發(fā)學(xué)生的數(shù)字邏輯思維和實(shí)際動(dòng)手操作能力[7，8]。通過(guò)啟發(fā)引導(dǎo)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的同時(shí)掌握對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析的技能和方法。

在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中增加比較、分析、討論的環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生理解不同的邏輯特性對(duì)數(shù)字電路設(shè)計(jì)的影響。如設(shè)計(jì)M進(jìn)制計(jì)數(shù)器的方法有反饋清零法或反饋置數(shù)法，反饋清零法又涉及同步清零和異步清零的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)前要求學(xué)生用仿真軟件分別依據(jù)3種方法設(shè)計(jì)電路，并描述設(shè)計(jì)過(guò)程，總結(jié)設(shè)計(jì)的區(qū)別和注意事項(xiàng)，從而加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

對(duì)于綜合設(shè)計(jì)題目，啟發(fā)學(xué)生分析電路的核心功能，然后嘗試不同的設(shè)計(jì)方案，最終分析各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)并做出選擇，從而提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。比如“搶答器的設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)，其根本功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的鎖存和顯示，而觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存等集成電路都具有鎖存功能。所以在三個(gè)實(shí)驗(yàn)中都安排了設(shè)計(jì)搶答器的擴(kuò)展環(huán)節(jié)，到最后的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自然而然地知道設(shè)計(jì)方案的多樣性以及每種方案的電路結(jié)構(gòu)和特性，從而做到隨意發(fā)揮。

4 結(jié)論

本文以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向?qū)?shù)字系統(tǒng)與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了一系列的改革，使學(xué)生明確了理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的興趣，提升了解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。學(xué)生質(zhì)量不斷提高，在各類競(jìng)賽中成績(jī)突出，獲得社會(huì)廣泛認(rèn)可。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】

收稿日期：2019-08-22

基金項(xiàng)目：大連海事大學(xué)校級(jí)教學(xué)改革項(xiàng)目，“基于三學(xué)期教學(xué)模式的信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2018Y30）

作者簡(jiǎn)介：張雅楠（1982-），女，遼寧海城人，工學(xué)碩士，大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師、實(shí)驗(yàn)教師，主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。