基于开放教学模式的数字逻辑电路实验教学改革

基于开放教学模式的数字逻辑电路实验教学改革

徐莹隽

（东南大学电工电子实验中心，江苏南京，210096）

【摘要】　本文分析了目前各高校数字逻辑电路实验教学普遍存在的问题，主要包括教材和教学内容陈旧、学生被动学习、工程技能和方法体现不够、工程训练时间少等。提出了以开放实验教学平台为支撑，改革传统的教学内容和教学方法，使其适合开放教学模式，从而更好地提高实践课程的教学效果和教学效率的教改思路。介绍了东南大学电工电子实验中心在开放教学模式下进行数字逻辑电路实验教学改革的具体内容、经验、成果和遇到的问题。

【关键词】　数字逻辑电路实验　开放实验室　实验教学改革

【中图分类号】　G6421423；TN79　　　　　　　　　　【文献标识码】　B

【文章编号】　1008－0686（2006）06－0064－03

作为电类专业学生的专业必修课，“电工电子实践初步”、“电路与数字逻辑电路实践”和“模拟电子线路实践”课程是所有高校电类专业中最重要的专业实验课程，是培养电类学生现代工程能力的重要环节，也是所有高校电工电子实验中心教学工作的重中之重。

1．目前存在的问题

综观目前各高校这三门课程的开设的情况，基本上都遇到了以下一些问题。

（1）教材和教学内容陈旧。

（2）仍然采取你教我学的传统教学模式，学生无法真正通过实验学习来掌握工程技能和方法，偏离了实验课程开设的最主要目标。

（3）实验课教学时数少。目前各高校这三门课程的总学时普遍在120学时左右，学生每周在实验室里的时间最多只有215小时，而教学内容安排时一般不超过2小时。在这么短时间内要使学生掌握电路、数字电路和模拟电路这3门课的基本知识，初步掌握工程实践能力是一项非常艰巨的任务。

2．教学改革思路

我校从1999年起调研考察了国内外很多高校的电工电子实践教学情况，分析各自的优缺点。经过反复论证，最后决定选择开放教学这条路，并将这项改革定义为两个阶段。

第一个阶段，建立开放教学的软硬件平台，这包括建设全天开放的实验室、网络化的教学辅助管理系统和科学的管理制度。这一阶段改革到目前为止已经顺利完成并获得了2005年的国家教学成果二等奖。

第二阶段，也是真正的攻坚阶段。我们要解决三门课程之间的合理分工和衔接问题，解决理论课程和实践课程的衔接问题，解决教学课时和实际需求课时的矛盾问题，完成一套符合开放教学特点、满足现代电子技术的发展对电工电子工程实践能力的培养要求、采用引导启发方式调动学生思维的教材。并以数字逻辑实验教学改革为突破口开始这项工作。

3．数字逻辑电路实验教学改革

从2004年开始，我们开始启动第二阶段的工作，我们选择了数字逻辑实验作为教学改革的突破口。

（1）教学内容改革

通过反复论证，我们对数字逻辑电路实验教学内容做了以下改革：

①合理安排理论课程和实践课程的教学侧重点

传统的教学模式中，理论教学内容和实践教学内容之间的分工存在一定的不合理之处。如中规模组合电路设计，在理论课和实践课中都花了很多课时讲解器件结构和设计方法。在新的安排中，理论课不再讲解各种中规模器件的结构、函数功能、管脚等等，仅对设计方法做了简单的介绍。主要是通过在实践课程中学生自己查询器件手册，自行设计完成教材中精心设计的各项实验，来有效地掌握有关中规模组合设计的各项内容。另外如VHDL语言，在我们的教改中理论课不再讲解VHDL语言，而是在实验课中设计了一系列VHDL实验，每个实验都覆盖了一项或多项VHDL教学点。

在新的教学体系中，在不降低教学要求的情况下仅通过理论和实践课程的科学分工，就可以使学生在实验室的时间多出16～20个学时，有效地缓解了学时紧缺的压力，增加了学生接受工程训练的机会。

②强化实践课程课内课外学时的配比

在开放教学平台完成后，学生在规定时间外到实验室完成实验有了硬件上的保障，因此教改中提出了课内和课外学时配比1∶1的要求。每周安排的实验工作量由原来的3学时增加到了6学时，这样学生除了利用课内的3学时外，还必须在课外花3个学时才能完成学习任务。

改革前我们的数字逻辑实验课是32学时，改革后通过理论和实践课程内容的整合可以达到48学时，通过1∶1配比课外学时可以使每学期学生在实验室的时间增加到96学时，很好地解决了学生动手机会少的问题。

③注重工程实践能力和方法的培养，引导学生自主思考、自主学习

一个规范的设计过程应该包括项目分析、资料查找和分析、设计方案比较论证、测试方案设计、系统调试、测试结果分析和总结。在教改中我们提出了减少实验的数量，丰富每个实验的内容，增加每个实验的研究深度，严格以工程研究的标准来要求学生实验的每个环节这个指导思想。具体做法如下：

a．实验中的每个知识点安排了思考指南。

b．每一个具体实验内容后，安排了分析指南。

c．有意增加了一些故障性的、反面的实验。

d．重视数字系统的设计、分析和管理，在硬件实验环节着重体现“自底向上”的系统设计，系统实验的各个模块在前面相应章节独立完成，最后在顶层系统中连接以实现大型数字系统。在可编程逻辑设计中主要体现“自顶向下”的设计方法，着重于系统的分析和模块分解。

e．加强资料查找和分析能力的培养，在教材中除了少数必要的地方以外，都没有提供任何器件资料，所有的器件资料都要求学生自己查找。

f．重视数字逻辑电路的测量和调试技术，引入PC－Based的虚拟数字逻辑分析仪，并将其作为主要的测试仪器。

④强调数字电路“由固定的硬件向可编程硬件转移”这一发展方向。为此增加了可编程数字系统设计在整个教学中的比重，可编程内容占所有内容的50%以上。实验侧重于硬件描述语言教学，教学重点放在系统设计方法上，着重培养学生以硬件设计的观念来学习语言。利用Quart usⅡ软件新提供的RTL View功能进行语言结构和硬件结构互相印证的训练，很好地解决了学生经常发生的硬件描述语言和普通编程语言相混淆的问题。

⑤体现数字设计高速化的趋势以及为后续微机等课程准备基础的思想。实验以逻辑设计为主但不忽视器件硬件特性。将原来的以5VTTL中小规模数字集成器件为主的特性研究，转变为兼顾TTL、低电压TTL、CMOS、低电压CMOS等多种器件的特性研究。强化脉冲概念的培养，将脉冲信号的分析、处理和测量贯穿在整个实验课程中。增加了数模电路接口、计算机有关部件的设计与应用的实验，重视各种不同类型器件之间的接口问题以及存储器系统、总线系统及I／O接口的设计方法训练，把A／D和D／A作为数字系统的一个重要组成部分放在实验教学内容中。

（2）管理体制改革

教学改革的顺利进行必须有一整套更科学的和严格的实验管理制度来保障。我们在原有的开放实验管理制度上做了以下改革：

①科学合理地安排指导教师

根据学生实验的特点，一般在最初的几个实验中遇到的问题最多，此时采用1个实验室1个指导教师的模式；到了中期，学生遇到的问题相应减少，此时采用2个实验室1个指导教师的模式；到了后期，可以3个实验室安排1个指导教师。为了给学生更多的实验时间，周六和周日实验室也全部开放，但全部实验室只安排1个指导教师。在这种模式下教师虽然在单位时间内的工作强度有所增加，但总工作量的增加有限。

②加强理论课教师在实践课中的作用

由于理论课中的部分教学安排在实践课中完成，因此理论课教师也要参与部分实验指导工作，同时规定理论课教师在每周理论课上安排15到20分钟的时间对本周要完成的实验做一个简单的介绍，并对前面完成的实验做适当的讲评。

③新的器材管理体系

我们采取了班级管理制度，在开学初由班长到器材室统一借用实验所需各种器材，等全部实验完成后再统一归还，如有损坏，按班级进行赔偿。我们为每一个学生配备了一块大的面包板，学生可以在宿舍进行电路连接，到实验室只作调试，这样大大减少了对实验室的压力。

④以目标考核为主、过程考核为辅，重新调整实验成绩的构成比例

目前我们实行的是平时30%，中规模数字系统实验20%，期末操作考试30%，大规模数字系统实验20%的成绩比例模型。

4．结语

我们在2004级34个电类班的学生中选择了9个班级进行了教改试点，并对试点班和非试点班的教学情况进行了跟踪，结果如下表所示：

表中实验时数是开放实验管理系统的统计数字，非试点班的平均实验时数含8学时的集中实验；期末考试是实践操作考试，为了比较教改的效果，试点班和非试点班采用了同样的考卷；课程竞赛是我校组织的针对数字逻辑电路实践课程的单科竞赛，两人一组。试点班获奖绝对人数虽少于非试点班，但考虑到总学生人数之间的差别，试点班获奖比例还是远高于非试点班的。

从数据中我们可以明显看出，试点班的学生在实验室的时间远远多于非试点班的学生，其考试和竞赛成绩也远好于非试点班的学生。但这些数据只能反应一部分的效果，真正可喜的是在实际指导中我们可以看到大部分学生可以很快地设计出任务书要求的电路，熟练地使用各种仪器对电路进行调试和测量，快速地发现和排除实验中遇到的故障。应该说，通过在试点班的学习，绝大部分学生的工程实践能力得到了非常大的提高。

参考文献：

［1］　王澄非．电路与数字逻辑设计实践［M］．南京：东南大学出版社，1999

［2］　王风华．电工电子实践的全面开放式教学模式［J］．南京：电气电子教学学报，2005（10）：78－81

［3］　胡仁杰．营造开放的实验教学环境开展开放式自主实验教学［J］．实验室探索和研究，2006（7）：822－826

（原载于《电气电子教学学报》，2006年第6期）