电子技术系列课程教学体系的建设与实践

田建艳，夏路易

(太原理工大学 信息工程学院，山西 太原 030024)

目前电子技术的发展日新月异，新器件、新技术、新工艺不断涌现，特别是近年来，超大规模集成电路的广泛应用，使计算机、通信、工业控制等领域的发展十分迅速。然而以往的电子技术系列课程教学内容和教学方法无法跟上现代电子技术的发展，培养出的人才不能适应市场经济的需要。为此，必须进行电子技术系列课程教学改革，建立适应新形势需求的电子技术系列课程教学体系，使电子技术系列课程的教学与迅速发展的电子技术同步，培养出的人才能够掌握现代电子技术，适应市场需求。

一、电子技术系列课程的教学任务

电子技术系列课程作为电类专业和部分非电类专业重要的技术基础课程，是学习微机原理、单片机、检测技术、可编程控制器、信号处理等课程的基础。多年的教学经验告诉我们，电子技术课程学不好，对后续课程的学习影响很大。因此要首先明确电子技术系列课程的教学任务，才能建立正确的教学体系。根据教育部制定的电子技术教学大纲，我们确立了电子技术系列课程教学的基本任务：学生通过学习常用电子器件、模拟电路、数字电路及其系统的分析与设计，获得电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能，为深入学习电子技术领域的内容及电子技术在专业中的应用打下良好的基础，主要内容包括以下方面。(1)掌握电子技术基础知识。如电子元器件的结构、工作原理、特性曲线、主要参数；模拟与数字基本电路的工作原理及其分析方法。(2)理解元器件的技术参数。只有正确理解元器件参数，才可以正确使用器件。(3)电子电路读图。通过阅读大量例题，练习读懂模拟与数字电路，看懂别人的电路，才能画出自己的电路图。(4)掌握设计电子电路的基本方法。①原理设计法：模拟电路，要求直接画出已经学过的单元电路，用电路分析原理给出电路元件参数；数字电路，逻辑设计法设计组合与时序逻辑电路。②直接设计法：模拟电路，要求采用单元电路组成更复杂电路，或者利用元件技术手册中提供的典型电路组成自己需要的电路；数字电路，在读懂元器件工作原理、技术参数的基础上，能够直接组成电路，熟悉元器件引脚功能、逻辑电平与时序。(5)学会在硬件描述语言、EDA软件和可编程逻辑器件支持下的数字系统设计方法。(6)学会画电路板。例如，可以自己设计实现模拟/数字电路实验板、单片机实验板等。可以说能画电路板，就可以学习使用各种芯片，掌握学习的主动权，从而掌握电子产品设计的基础知识。

二、电子技术系列课程教学中存在的问题

目前电子技术系列课程教学中存在的主要问题有以下几点。(1)课时少、内容多。随着新器件不断涌现，书越编越厚，作业越来越多，但是课时并没有增加，课越来越难讲。(2)单片机替代了很多电子电路。由于单片机的出现，目前大量的电子系统都采用单片机实现，很少直接用模拟、数字电路实现电子系统。从电子技术大赛可以看出，产品的制作都需要单片机做支持，故称之为单片机大赛更合适。在这种情况下，学生对电子技术基础学习产生了困惑，学什么内容？达到什么深度？(3)可编程逻辑器件(PLD)的出现改变了单片机一统天下的局面，使从事电子行业的人可以用PLD设计数字系统，因此在1998年以后，很多高校兴起了学习PLD的高潮。但是目前PLD大量应用在高端产品设计中，而在日常应用中并不多见，所以在教学中，需要安排多少关于PLD的教学内容，值得探讨。(4)电路板设计是电子产品生产中的重要环节，没有电路板就无法进行电子产品的制作与研发。而在电子技术教学阶段，一般没有将画电路板列入基本教学内容，该环节的缺失，造成学生在结束电子电路课程学习之后，无法具有设计电子产品的基本能力。

三、电子技术系列课程教学体系的建立

根据电子技术教学任务和目标建立系列课程体系的基本原则是：(1)针对性(不同专业、不同授课对象课程体系的具体内容和实施过程不同)；(2)可执行性(体系内容要量力而行，且确实可行)；(3)可扩展性(随着电子技术的发展，体系能够不断更新、不断完善)。电子技术系列课程体系的总体框架如图1所示。

图1 电子技术系列课程体系的总体框架

四、电子技术系列课程教学体系的实践

电子技术系列课程包括电子技术基础、模拟电子技术(理论教学与实验)、数字电子技术(理论教学与实验)、模拟电子技术课程设计、数字电子技术课程设计、现代数字系统设计等课程。由于篇幅所限，下面仅以每个模块最具特色的一面来阐述整个教学体系的实践。

1.电子技术基础的“精讲”和“泛讲”

针对自动化专业课程设置的特点，我们先开设了电子技术基础，内容包括模拟电子中的基本元器件、基本放大电路和多级放大电路，以及数字电子中的数制和码制、逻辑代数基础、门电路。由于这些都是电子技术最基础的部分，而且这些知识掌握与否直接影响到微机原理及接口技术、单片机原理与应用等后续课程的学习，因此必须强化理论教学。我们根据大纲“设计”教学内容，并将具体内容划分为“精讲”和“泛讲”，例如把基本器件和基本分析方法作为精讲内容，必须讲清楚、讲透彻，举一反三，使学生熟练掌握，为后续课程的学习打下扎实的基础。而对于新工艺、新器件的内容可以泛讲，即介绍性的讲解，突出它的特点和不同之处，以拓展学生的知识面。特别是在教学过程中反复举例，强化本课程内容在后续课程中的应用，以便引起学生的重视，激发他们的学习兴趣。此外，本课程的结课考试采取闭卷形式，试题覆盖面广，囊括了各章节的所有内容，题型多样，包括：选择题、填空题、化简题、分析题、计算题和改错题等。

2.模拟电子技术中实验教学的改革

任何一门课的实验都是很重要的一个教学环节，它不仅可以验证理论，更能培养学生的应用能力、创新能力以及综合能力[1]。因此对于实践性很强的模拟电子技术课程来讲，我们首先把实验划分为基础性实验、综合性实验和设计性实验三种。其中基础性实验不仅包括理论的验证，还要通过实验掌握常用电子仪器的使用；综合性实验就是锻炼学生的组合能力，使其将单一的知识融合，全面地分析研究模拟电子电路；设计性实验不仅要求学生设计典型的模拟电子电路，还要设计出相关的实验步骤，并且实验中增加了部分选做内容，给学生提供更大的发挥创新能力的空间。

实验环节包括硬件实物实验和软件仿真实验，两者优势互补。其中硬件实验要培养学生基本的实验技能，认识真实的电子元器件，正确使用电子仪器设备，记录实验数据，分析实验结果，同时开设EDA软件仿真实验[2]，不仅大大节省硬件资源和实验经费，而且缩短了电子电路的设计研发周期。在软件实验中我们侧重于对仿真结果及曲线的分析。

3.数字电子技术中课程设计的改革

课程设计是对学生学完某一门课程后的综合设计训练，这种训练是通过学生独立完成某一课题的设计、编程、安装、调试来实现的。其目的是培养学生综合运用课程中所学的理论，解决实际问题的能力，使学生能够尽早接触实际。

电子技术课程设计就是进行简单的电子产品设计，无论题目简单与复杂，设计过程都应该是完整的，可以使学生尽快认识产品的研发过程。即使没有条件实际完成产品，只是完成理论设计、仿真验证、画电路原理图与电路板图，也非常有意义，因为这是一个产品的设计过程，对于学生来说也是一个较为完整的产品研发训练。

由于现在的数字系统很少直接再用中小规模的数字电路来设计，而是由可编程逻辑器件组成的、在EDA的支持下实现的，因此数字电子技术的课程设计内容应该是状态机设计、在可编程逻辑器件中实现状态机、设计具有可编程逻辑器件的电路板。教学实践表明，采用状态机加数字部件实现的数字电子技术最适合作为课程设计的题目。例如，某电机控制的控制要求为：当按钮S1按下后，第1台电动机M1启动，5s后第2台电动机M2启动；10s后第2台电机M2停止；5s后M1停止。任何时候按下按钮S2，可以停止工作台运行。

这种题目中不仅需要用硬件描述语言设计状态机，还需要设计定时器、分频器、译码显示电路、电源电路等数字部件。此外，还需要使用时钟、按钮、数码管、发光二极管等电子元器件。

4.现代数字系统设计课程的改革

当前高技术的数字化产品都需要现代数字系统设计技术，因此，我们在学生学完模拟电子技术和数字电子技术课程及课程设计的基础上开设了现代数字系统设计课程，其主要讲授内容是可编程逻辑器件与硬件描述语言。在硬件描述语言和逻辑综合软件支持下的数字系统设计方法是现代数字系统设计主要设计方法。该方法是使用类似高级语言的硬件描述语言，直接对实际问题进行描述，一旦描述成功，可以在计算机的支持下使用EDA软件直接形成电路，这样就减少了将真值表或状态图转化成电路的工作量，而将设计的重点放在将实际问题转换成抽象的逻辑问题上。

虽然学生在数字电子技术课程及其设计中已经学习了一些有关可编程逻辑器件的基本知识，但内容肤浅，故本课程的目的是加强可编程逻辑器件与硬件描述语言的学习，使学生基本掌握现代数字系统的设计方法。

现代数字系统设计课程总学时数为32学时，包括讲课16学时、实验16学时。由于现代数字系统设计的过程是采用自顶向下的设计方法，将系统分成若干模块，再用硬件描述语言分别描述，在EDA软件的支持下进行综合、仿真、引脚锁定和适配，然后配置或编程到可编程逻辑器件[3]。因此课程中主要讲授：(1)状态机与状态图；(2)VHDL硬件描述语言；(3)Verilog HDL硬件描述语言；(4)Max+Plus II、Quartus II、Protel99se等软件。实验内容为小型数字系统设计方面的题目，一人一题，按照学生成绩单姓名列表分配题目。具体步骤分为：(1)画出状态机的状态图或状态表；(2)在Max+Plus II等软件中，采用自顶向下的设计方法按照功能划分模块，然后分别用硬件描述语言实现这些模块，每个模块都要单独仿真；(3)建立顶层模块图，并仿真验证是否正确；(4)设置芯片为FLEX10k20TC144，按照实验装置上的资源引脚位置，锁定引脚，并通过电缆将所设计电路下载到实验板中，验证其正确性；(5)在Protel99se中画出所设计装置的原理图与电路板图；(6)如果有条件，制作电路板，焊接元件，调试电路板，直到所设计装置能够正常运行；(7)写出实验设计报告。本课程考试采用开卷考试方式。成绩评定：实验占30分，考试占70分。

5.编写讲义、出版教材、研制实验装置

为了实践新的电子技术系列课程教学体系，配合教学内容的更新，我们先后编写了《电子技术课程设计指导书(使用Multisim 2001)》、《数字电子技术课程设计指导(ipsLEVER和MAX+PlusⅡ软件应用)》、《可编程逻辑器件(Lattice isp1016E)》、《可编程逻辑器件与硬件描述语言》、《EDA技术基础》等讲义，并在教学过程中不断修改；正式出版了适合自己教改内容的《电子技术基础》、《电子电路EDA》、《数字电子技术基础教程》等教材，以及国家“十一五”规划教材《基于EDA的电子技术课程设计》；我们还自行研制开发了与EDA教学配套的70套CPLD实验装置和40套FPGA实验装置，不仅满足了教学要求，而且缓解了学校实验经费不足的问题。

五、结束语

经过多年来的研究、实践、再研究、再实践，我们建立了一套完整的、行之有效的电子技术系列课程的教学体系。教学实践证明，该教学模式不仅使电子技术系列课程的教学效果显著提高，更主要的是使学生掌握了现代电子电路基本的设计方法，具有了一定的设计和实现实际电子电路的能力，为实现“创新型和应用型”人才培养目标构建了一种新的模式。

参考文献：

[1] 吴 霞，潘 岚.电路与电子技术实验系列课程教学改革[J].电气电子教学学报，2004，26(3)：82-84.

[2] 田建艳，夏路易.EDA支持下的电子技术教学实践[J].教育理论与实践，2005，25(6)：54-55.

[3] 夏路易.基于EDA的电子技术课程设计[M].北京：电子工业出版社，2009.122-168.