基于开放式教学的学生工程实践能力培养

基于开放式教学的学生工程实践能力培养——“数字电子技术基础实验”课程

阮秉涛
　电工电子实验教学中心

一、课程简介

1.课程类别

专业基础课程（大类课程）

2.学科类别

工学─电气工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:

“数字电子技术基础实验”是电子技术基础系列课程中不可缺少的一部分，与数字电子技术基础课程的理论教学相对独立设置。通过实验手段，使学生获得数字电子技术方面的基础知识和基本技能，并运用所学理论来分析和解决实际问题，提高实际工作能力和工程综合素质。

通过本课程的实验训练，学生应达到下列要求:

●　掌握常用电子仪器的使用方法和常用电子电路的调试测量方法；

●　加深理解电子电路的基本工作原理和电子电路的设计分析方法；

●　具有查阅电子器件手册并合理选用元器件的能力；

●　具有根据技术要求设计常用的小系统，并进行组装调试的能力；

●　了解和掌握电子电路的基本实验方法，了解和初步掌握电子电路的设计、安装、调试和故障排除的方法；

●　学会使用计算机进行电子电路的计算机辅助设计，初步掌握常用EDA软件（如QuartusⅡ）的使用和硬件描述语言（如VHDL语言）的基本知识；

●　培养科学严谨和实事求是的作风，提高实际操作能力和工程综合素质。

（2）教学内容:

课程的主要教学内容包括:

●　常用电子仪器的使用方法；

●　数字集成电路功能与特性测试；

●　数字系统EDA技术和QuartusⅡ软件使用方法；

●　数字系统设计的方案论证；

●　数字系统组装和系统调试；

●　设计报告的撰写方法。

4.教学对象

课程面向本科二年级学生，电气工程学院爱迪生实验班，每年开设1个教学班，每班人数50人左右。

5.课程时数与教学场景

（1）课程时数:实验教学48学时。

（2）教学场景:在电工电子综合创新实验室，采用多媒体教学。

二、课程教学重点解决的问题

数字电子技术基础实验是面向全校电类学生开设的涉及面最广、涉及学生最多的专业基础实验之一。数字电子技术基础理论和实验教学已经经历了半个多世纪，从最早的基本门电路到大规模和超大规模集成电路、从标准数字集成技术到可编程逻辑器件、从用传统布尔代数设计简单的数字电路到用EDA工具设计复杂的数字系统，电子技术已经发生了相当大的变迁。传统的教学实验方法和经验正在受到冲击和挑战，如何既能保证实验教学具有坚实的理论基础，又能把最新科技发展知识融入到电子技术的实验教学中去，已成为我们实验教学改革研究的重要议题。

几十年来，数字电子技术教学已形成了一套完备的理论和实验教学体系，数电实验已经形成标准化和系列化的实验内容，这些实验内容对于学生掌握和验证电子技术基础理论、掌握电子技术的基本实验技能等都起着重要作用。但由于课程面向基础的特性，所以以往课程中验证性或单元内容的实验占了相当大的比例，学生很难有机会获得相关技术的综合运用练习。对于实践能力较强的优秀学生来说，过多的验证性实验占据了大多数的实验时间，但他们的动手实践，特别是综合知识运用能力和处理实际工程问题的能力没有得到很好锻炼和提高。

另外，电子技术的飞速发展，新技术、新型电子器件不断涌现，原有的实验内容、方法、手段都亟须更新与扩充，采用新器件、新方法、新模式进行实验亟须开发新的实验项目。

三、教学方法改革

1.教学实施策略和方法

为了解决实验内容条块分隔，实验项目与综合实践能力的培养相脱节的现状，面向爱迪生班开设的“数字电子技术基础实验”课程针对当前的实验项目、实验内容、教学模式和考核方法等进行了系统改革。

（1）具有工程实践背景的实验项目。

为了提高学生综合知识运用能力和处理实际工程问题的能力，课程紧扣当前教学内容与教学环节，开发出了适合优秀学生的综合性、设计型、创新性实验——多功能数字钟设计。实验项目既结合理论课程中学习的基础理论知识，又涉及工程实践中的具体问题，而且还与电子技术发展方向紧密关联。

用来自实际产品的设计题目代替纯理论的项目，提高了学生综合知识运用能力和处理实际工程问题的能力。

（2）综合性、设计型的实验内容。

数字钟实验项目是一个大型综合性、设计型的实验，一个设计项目贯穿整个课程。课程的实验内容涵盖了理论课程中的大多数必须掌握的知识点，概念完整、难度适中，同时还具有很强的可视性和互动性，可大大地激发出学生对实验的兴趣。

课程用相对完整的、知识面覆盖数字电子技术基础主要内容的系统设计、制作和调试过程代替以往的单元电路实验，将理论课程中学习的相关知识融于一门综合性、设计型、创新性的实验课程中，这对于引导、培养大学生理论联系实际的学风，加强学生综合与设计能力培养，都具有非常重要的意义。

（3）开放式教学模式。

课程采用开放式教学模式，设计性实验仅提出系统的功能要求和性能指标要求，而不对具体的实现方法做硬性规定。实验内容上既有每个学生必须完成的基本功能要求，还有自由发挥部分，既保证了每个参加实验的同学能够达到基本要求，又给优秀学生留出了自由发挥的空间。

实验在“电工电子综合创新实验室”的平台上完成。实验室实现24小时全天开放，学生在课内和课外都可以进行实验，有更多的时间进行自主创新设计。与此同时，参加实验的学生实现了自我管理，主要体现在实验时间、实验内容、设备使用与维护上实现了自我管理。

为配合创新实验项目的进行，课程自行开发了可编程器件实验模块，使复杂数字系统的设计成为可能。搭配通用实验板，学生可以自由设计系统功能。通过标准接插件与焊接方式连接单元电路，使系统更稳定、可靠。

（4）注重能力培养的考核方法。

课程取消了以往只注重期末实验考试方法，取而代之以作品指标评测和设计报告评分为主，以期末测验为辅的评价体系，更加注重对学生能力的培养。

作品评测上给创新功能予以加分，更加激发了学生创新意识的培养。

设计报告对方案论证作重点考察，促使学生提高设计能力和查阅资料的能力。

2.教学方法实施举例

（1）具有工程实践背景的实验项目举例。

为了提高学生综合知识运用能力和处理实际工程问题的能力，课程紧扣当前教学内容与教学环节，开发出了适合优秀学生的综合性、设计型、创新性实验——多功能数字钟设计。如图1所示是爱迪生班学生的多功能数字钟作品。

图1　学生的多功能数字钟作品

数字钟实验的原型来自日常生活，每个人（包括每个参加实验的学生）对数字钟具有的功能都十分熟悉。数字钟实验具有很强的可视性和互动性，与设计者在实验过程中产生包括视觉、听觉、触觉等多方面的交流与互动，这大大地激发出了学生对实验的兴趣。

数字钟实验不仅仅要解决数字系统的理论设计问题，同时还要解决电子系统在焊接、安装和调试过程中出现的工艺问题、可靠性问题，以及使用过程中的操作方便性等诸多方面的工程实践问题。

数字钟实验项目概念完整、难度适中，既结合已学的理论课程基础理论知识，又涉及实践工程应用中的具体问题。用来自实际产品的设计题目代替纯理论的项目，提高了学生综合知识运用能力和处理实际工程问题的能力。

（2）综合性、设计型的实验内容举例。

在普通班中，实验以验证性实验为主，有少量设计性实验，综合性程度不够，学生缺乏“系统”的概念，无法将所学知识相互关联起来。

相对普通班而言，爱迪生班的数字钟实验是用综合性、设计型实验代替了验证性实验，用系统的研制开发代替了单元电路实验，一个设计项目贯穿整个课程。爱迪生班的学生通过设计、综合和创新，可将知识融会贯通。

如表1所示，在普通班的实验项目中，8次实验基本都是独立的单元电路实验，各单元之间没有紧密联系。在爱迪生班的实验项目中，每次实验都是围绕“数字钟“进行实验，每个单元皆相互关联。

表1　普通班与爱迪生班实验内容比较

数字钟实验项目是一个大型综合性、设计型、创新性的实验，一个设计项目贯穿整个课程。其内容涵盖了理论课程中的大多数必须掌握的知识点，如数字逻辑基础知识、基本门电路、编码器、译码器、显示器、数值比较器、数据选择器、触发器、计数器、单脉冲信号发生器、多谐振荡电路及可编程逻辑器件、EDA软件工具等相关知识。

课程用相对完整的、知识面覆盖数字电子技术基础主要内容的系统设计、制作和调试过程代替以往的单元电路实验，将理论课程中学习的相关知识融于一门综合性、设计型、创新性的实验课程中，这对于引导、培养大学生理论联系实际的学风，加强学生综合与设计能力培养，都具有非常重要的意义。

（3）开放式教学模式举例。

在普通班中，课程对实验结果的要求明确、单一，可选性较小。学生基本按上课老师给出的方案进行实验，方案雷同，结果也基本一致。每个单元实验难度相对不高，需要思考的内容不多。学生对实验的兴趣度一般，或基本无兴趣度可言。

在爱迪生班中，实验既有基本要求，还有扩展要求和自创部分，既保证了每个学生能够完成基本要求，又给优秀学生留出了自由发挥的空间。在设计方案上，爱迪生班学生每个功能均有多种实现方案，还有五花八门的自创功能，每人的作品都千差万别。爱迪生班实验从老师给出步骤，到老师论证方案，再到学生自行设计方案，由浅入深，循序渐进，总体难度较高。爱迪生班的实验为系统设计，项目贴近实际、贴近生活，功能繁多，变化无穷，又有很强的可视性和互动性，学生兴趣很高。

在爱迪生班，所有参加学习的同学都能较好地完成设计任务的要求，大多数同学还在此基础上，设计了丰富多彩的创新功能，同学自创的附加创新功能有:日历功能、倒计时功能、秒表功能、游戏机功能、密码开机功能、闹钟贪睡功能、半点报时功能、时区功能、篮球比赛计时功能、节电功能……如图2所示是爱迪生班学生设计的不同方案的多功能数字钟作品。

（a）学生作品1

（b）学生作品2

图2　不同方案的学生作品

爱迪生班的实验是在“电工电子综合创新实验室”的平台上完成的。实验室实现24小时全天开放，学生在课内和课外都可以进行实验，有更多的时间进行自主创新设计。与此同时，参加实验的学生实现了自我管理，主要体现在实验时间、实验内容、设备使用与维护上实现了自我管理。

在实验设备方面，普通班采用数电实验箱进行实验，如图3所示。实验过程就是连线，无需焊接，也不能进行复杂系统实验。为了配合创新实验项目的进行，爱迪生班的实验课程采用了自行开发的可编程器件实验模块，使复杂数字系统的设计成为可能。图4所示是自行开发的可编程器件实验模块，搭配通用实验板，学生可以自由设计系统功能。通过标准接插件与焊接方式连接单元电路，使系统更稳定、可靠。爱迪生班采用可编程逻辑器件＋通用实验板焊接的实验方法，采用可编程逻辑器件可以设计出相当复杂的数字系统，配合通用实验板，真实体验了实际电子系统的研发过程。

图3　过去的实验器材

图4　可编程器件实验模块

（4）注重能力培养的考核方法举例。

普通班每次实验后需要完成相应的实验报告，学生反映费时费力，意义不大。爱迪生班没有实验报告，但项目结束后需要完成设计报告撰写，其内容形式更接近科研论文的撰写。

普通班每次实验完成后均进行实验验收，并以验收结果作为该单元实验成绩。爱迪生班每周有阶段性验收，可以了解和督促学生的学习进度，期末有总体验收，并以总体验收结果作为课程成绩的主要依据。

普通班的实验课程成绩以平时成绩＋实验考试进行综合评定。爱迪生班以平时成绩考核学生的学习过程，以总体验收考核学生的设计与调试能力，以设计报告考核学生的理论设计能力和论文撰写能力，以实验考试考核学生对知识全面掌握情况。

普通班学生通过实验可以巩固理论知识，但能力的提高作用一般。爱迪生班通过项目设计，不仅巩固了理论知识，而且还学会了综合、设计和创新，也提高了查阅资料和撰写论文的能力，对学生能力和素质的提高大有帮助。

由于课程取消了以往只注重期末实验考试方法，取而代之以作品指标评测和设计报告评分为主，以期末测验为辅的评价体系，因而更加注重对学生能力的培养。作品评测上给创新功能予以加分，更加激发了学生创新意识的培养。设计报告对方案论证作重点考察，促使学生提高设计能力和查阅资料的能力。

3.教学方法特点分析

本课程的教学改革是从实验项目、实验内容、教学模式和考核方法等方面入手，在“综合型电工电子创新设计实验室”的实验平台上，紧扣当前教学内容与教学环节，开发出了适合优秀学生的综合性、设计型、创新性实验——多功能数字钟设计。该实验设计题概念完整、难度适中，既结合已学的理论课程基础理论知识，又涉及实践工程应用中的具体问题，而且还与电子技术发展方向紧密关联。由于题目的综合性、设计性较强，因此，这样一个实验设计题就可以贯彻整个实验课程。在课程教学中采用了开放式教学模式，融合了项目学习法和综合考核手段，营造了互动的学习环境。其主要特点如下:

（1）具有工程实践背景的实验项目。

为了提高学生综合知识运用能力和处理实际工程问题的能力，课程紧扣当前教学内容与教学环节，开发出了适合优秀学生的综合性、设计型、创新性实验——多功能数字钟设计。实验项目既结合已学的理论课程基础理论知识，又涉及实践工程应用中的具体问题，而且还与电子技术发展方向紧密关联。

用来自实际产品的设计题目代替纯理论的项目，提高了学生综合知识运用能力和处理实际工程问题的能力。

（2）综合性、设计型的实验内容。

数字钟实验项目是一个大型综合性、设计型的实验，一个设计项目贯穿整个课程。课程的实验内容涵盖了理论课程中的大多数必须掌握的知识点，概念完整、难度适中，同时还具有很强的可视性和互动性，可大大地激发出学生对实验的兴趣。

课程用相对完整的、知识面覆盖数字电子技术基础主要内容的系统设计、制作和调试过程代替以往的单元电路实验，将理论课程中学习的相关知识融于一门综合性、设计型、创新性的实验课程中，这对于引导、培养大学生理论联系实际的学风，加强学生综合与设计能力培养，都具有非常重要的意义。

（3）开放式教学模式。

课程采用开放式教学模式，主要体现在:

●　设计性实验仅提出系统的功能要求和性能指标要求，而不对具体的实现方法做硬性规定。实验内容上既有每个学生必须完成的基本功能要求，还有自由发挥部分，既保证了每个参加实验的同学能够达到基本要求，又给优秀学生留出了自由发挥的空间。

●　实验在“电工电子综合创新实验室”的平台上完成。实验室实现24小时全天开放，学生在课内和课外都可以进行实验，有更多的时间进行自主创新设计。与此同时，参加实验的学生实现了自我管理，主要体现在实验时间、实验内容、设备使用与维护上实现了自我管理。

●　为配合创新实验项目的进行，自行开发了可编程器件实验模块，使复杂数字系统的设计成为可能。搭配通用实验板，学生可以自由设计系统功能。通过标准接插件与焊接方式连接单元电路，使系统更稳定、可靠。

（4）注重能力培养的考核方法。

课程取消了以往只注重期末实验考试方法，取而代之以作品指标评测和设计报告评分为主，以期末测验为辅的评价体系，更加注重对学生能力的培养。

作品评测上给创新功能予以加分，更加激发了学生创新意识的培养。设计报告对方案论证作重点考察，促使学生提高设计能力和查阅资料的能力。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

由于课程取消了以往只注重期末实验考试成绩的方法，取而代之以作品指标评测和设计报告评分为主，以期末测验为辅的评价体系，因而更加注重对学生能力的培养。作品评测上给创新功能予以加分，更加激发了学生创新意识的培养。设计报告对方案论证作重点考察，促使学生提高设计能力和查阅资料的能力。

（1）实验报告。普通班每次实验后需要完成相应的实验报告，学生反映费时费力，意义不大。爱迪生班没有实验报告，但项目结束后需要完成设计报告撰写，其内容形式更接近科研论文的撰写。

（2）实验验收。普通班每次实验完成后均进行实验验收，并以验收结果作为该单元实验成绩。爱迪生班每周有阶段性验收，可以了解和督促学生的学习进度，期末有总体验收，并以总体验收结果作为课程成绩的主要依据。

（3）成绩评定。普通班的实验课程成绩以平时成绩＋实验考试进行综合评定。爱迪生班以平时成绩考核学生的学习过程，以总体验收考核学生的设计与调试能力，以设计报告考核学生的理论设计能力和论文撰写能力，以实验考试考核学生对知识全面掌握情况。

在爱迪生班中，最终成绩＝30%平时验收＋28%总体验收＋14%设计报告＋28%实验考试。

通过以上对比可知，普通班学生通过实验可以巩固理论知识，但能力的提高作用一般。爱迪生班通过项目设计，不仅巩固了理论知识，而且还学会了综合、设计和创新，也提高了查阅资料和撰写论文的能力，对学生能力和素质的提高大有帮助。

2.支撑手段建设

《数字电子技术基础实验》对课程的实验环境、实验器材、实验教材和师资队伍进行了系统建设，目的是为了配合实验教学改革，为不同学生的渐进式人才培养新模式提供良好条件。

（1）实验环境建设。实验在“电工电子综合创新实验室”的平台上完成。实验室实现24小时全天开放，学生在课内和课外都可以进行实验，有更多的时间进行自主创新设计。与此同时，参加实验的学生实现了自我管理，主要体现在实验时间、实验内容、设备使用与维护上实现了自我管理。

（2）实验器材。为配合创新实验项目的进行，课程自行开发了可编程器件实验模块，使复杂数字系统的设计成为可能。搭配通用实验板，学生可以自由设计系统功能。通过标准接插件与焊接方式连接单元电路，使系统更稳定、可靠。

（3）实验教材建设。根据学科发展需要，全面修订了实验课教材，在完善基础实验内容的基础上，增加了计算机仿真与模拟、可编程逻辑器件应用方面的内容。实验教材在保持其经典性的同时，紧跟电子技术的快速发展，更适应创新性人才培养目标的教学要求。

新的实验教材《电子技术基础实验教程（第二版）》已于2011年3月正式出版，并在普通班的“数字电子技术基础实验”课程中使用。《电子技术综合实践（第二版）》已于2010年2月完成讲义编写工作，并在“爱迪生实验班”的“数字电子技术基础实验”课程中使用。

（4）教学网站建设。为配合实验教学需要，课程还建立了实验教学资源网站。该资源网站中不仅向学生提供课程课件，还提供了大量芯片资料、软件工具和相关操作说明，为学生进行自主学习、自主创新创造了良好的条件。

（5）师资队伍建设。对新老教师进行培训，不但是实验教学的需要，也是教师掌握新技术，紧跟时代发展，提高自身素质的需要。通过对新老教师的培训，可以让实验教改方向在今后的实验教学中得到全面推广。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

《数字电子技术基础实验》中新的实验内容、方法、器材、教材自2008年在爱迪生实验班试点以来，已有受益学生约250人，并已开始逐步向普通实验班推广。

通过对新老教师进行培训，使教师能紧跟时代发展，掌握新技术，提高自身素质，并使数电实验的教改内容在实验教学中得到逐步推广。

经过4届学生的实践应用，效果比较明显，学生创新实践能力有比较显著提高。经过课程学习的优秀学生，在参加学科竞赛中获得校级、省级和全国多个大奖。

参加课程学习的学生的典型评价有:

2008级张宇儒（3080104844）同学写道:“这学期的数字钟实验是在我参与过的爱迪生班实验课程中感觉最好、成就感最高的一次实验。不同于模电、电原实验，这次的电子钟实验由于有了扎实的理论基础，在设计、组装、调试时都能心中有数，各个错误环节也能准确把握，不像以前那样糊里糊涂了。与其他实验的另外一个不同点是，数字钟实验的‘模仿’比例更低，自主实验的成分更高，感觉整个数字钟是原原本本自己设计的而非模电“扩音机”电路的完整照搬。”

2009级王金华（3090104494）同学写道:“一个学期的数电实验已经接近尾声，时间虽然很短暂，但所完成的任务以及这过程中的坚持让我收获的远比实验课内容多。数电实验整个过程没有过多的时间限制，除了数字钟的基本功能，其他功能没有限制，所以比较自主灵活。但老师却做到了适当的指引，让我们不会迷茫，知道自己该向什么方向努力。所以感觉数电实验还是比较适应的，也比较喜欢，因为可以实现自己的想法。看着计时的时钟，想想平时我们的手表，不由地觉得很自豪，因为我也可以做出这样实在的、可用的生活用品了。”

2.推广性分析

“数字电子技术基础实验”中教学改革方法自2008年在爱迪生实验班试点以来已开始逐步向普通实验班推广。通过对新老教师进行培训，使教师能紧跟时代发展，掌握新技术，提高自身素质，并为数电实验的教改内容在实验教学中逐步推广创造了良好的条件。

“数字电子技术基础实验”教学改革成果在逐步向普通实验班推广的同时，一方面将针对普通班学生的实际情况对实验内容和实验方法做适当调整优化，另一方面可以将成果在“模拟电子技术基础实验”或其他相关电类课程中推广，为不同层次学生的渐进式人才培养新模式提供一条可以借鉴的途径。

六、课程教材及实验参考书

1.教材

［1］阮秉涛，樊伟敏.电子技术综合实践（第二版）.杭州:浙江大学电工电子基础实验教学中心，2010

2.参考书

［1］阮秉涛，蔡忠法，樊伟敏等.电子技术基础实验教程（第二版）.北京:高等教育出版社，2011

［2］王小海，祁才君，阮秉涛.集成电子技术基础教程（第二版下册）.北京:高等教育出版社，2008

3.教学网站

［1］fttp://10.71.21.98∶8021