浅议“数字电路”课程设计的教学改革

孙磊　蔡钧

摘 要： 数字电子技术是电子信息类专业的基础课程之一。数字电路课程主要由理论课程、实验课程、课程设计三部分构成。其中的课程设计具有综合性和复杂性的特点，要求学生不仅充分掌握数电的基础理论，还具备设计、开发、分析、调试电路的实践能力。文章针对当前数电课程设计中存在的选题单一、设计时间短、设计辅助工作量大、考核方式不够细化等问题，提出了一些改革建议，以期提高数电课程设计的教学质量，激发学生的学习热情和创新力。

关键词： 数字电子技术 课程设计 选题 考核方式

数字电子技术（下文简称“数字电路”或“数电”）是电子信息类专业的基础课程之一，开设该课程的目的是让学生掌握数字电子技术的基础知识（包括数字器件的基本原理、性能、应用等），培养学生分析、设计数字电路和自行理解、使用新型数字器件的能力。为了达到数电课程的教学目的，一般高等院校都设置了课堂教学和实践操作两个环节。本文结合扬州大学信息工程学院数字电路的教学现状，针对其中课程设计中出现的问题，提出了一些改革建议，提高数字电路的教学质量。

一、数字电子技术教学现状及存在的问题

扬州大学信息工程学院的数电教学主要由理论课程（课堂教学）、实验课程和课程设计三部分构成。其中，理论课程主要围绕教材各部分章节的内容展开，教师通过板书、幻灯片等方式向学生传授理论知识。课程的考核成绩由平时和考试两部分构成，采用百分制的量化方式。一般而言，理论课程是数电教学的重点，因此，不仅教师会花费大部分时间用于理论课程的备课、上课、布置和批改作业、辅导答疑等，学生也将时间主要用于预习、听讲、完成作业等理论课程项目。实验课程属于实践操作环节，通常与各阶段的理论课程相配套。学生在导师的指导下，通过亲手做实验，熟悉常用的数字集成芯片及相关实验器材和仪器的操作，巩固课堂所学知识。实验考核主要依据学生的实验操作情况，并参考预习、报告等，最终给予实验成绩（优秀、良好、中等、及格、不及格）。由于大部分实验属于验证性质，即使涉及设计，其操作难度不大，因此学生能够独立完成。相对于数字电路的理论和实验课程，课程设计目的是考查学生综合利用理论知识进行复杂数字电路设计的能力。设计题目一般会涵盖数电课程几乎所有的重点内容，且最终的电路系统功能更多，规模更大，因此难度较大。

经过多年实践，本院已形成了一套成熟的教学方案，用于理论课程和实验课程。相较而言，课程设计具有综合性和复杂性的特点，存在如下问题：（1）设计题目单一。本院的课程设计题目常年不变，内容缺乏新颖性，不利于开拓学生思维；（2）设计时间短。教师一般在实际设计前一周布置任务，因此学生的设计时间比较仓促，无法进行系统、细致的设计，可能导致一些设计错误；（3）实验辅助工作量大。由于设计过程需要相关的实验辅助（如更换器件、排查错误等），学生常常不能独立解决，往往会求助于实验师或导师。如果参与设计的学生人数过多，则教师的辅助工作量将会增加，甚至学生不能得到及时帮助；⑷考核方式不够细化。由于学生的课程设计结果参差不齐，若采用类似于实验成绩评定的五级量化方法，则可能无法反映每个学生真实的实验情况。

二、数字电路课程设计的改革建议

针对数字电路课程设计的若干问题，本文提出如下建议：

（一）建立设计题库，学生自主选题。

近年来，本院数电教师一般选用“数字种”作为设计题目，即利用中小规模集成电路实现数字钟的计时和显示功能，另附加手动校时校分、周显示、清零、整点报时这四项功能。该课题可以考查学生的综合设计能力，难度适中。选用“数字钟”的优点是指导教师已对设计的各环节非常熟悉，实验准备便捷，流程可控。然而，缺点是课题本身比较乏味，若每年做此设计，则教师的思想有可能固化，学生也有机会偷懒而抄袭往届的设计方案，最终导致课程设计的目的无法达到。因此，建议建立统一的课程设计题库。题库应包含多个与生活密切相关且富有意义的设计题目（比如“交通信号灯”、“汽车计费器”等）[1]，每个题目必须配备详细的设计要求、参考设计方案和完整的评分标准。每年参加课程设计的学生可在题库中进行自主选题。如此，教师和学生的思维将被激发，特别是学生，会针对新颖的题目提出创新的解决方案。另外，为了保证题库质量，题库除了需定期更新外，还要根据师生建议进行修改。

（二）子电路模块化，融入日常教学。

课程设计一般安排在学期末，指导教师会在设计前一周利用两节课时间讲解课题，后由学生自行完成设计，绘制系统框图和连线图。理论的设计时间为一周，但由于接近学期末，学生可能忙于复习或参加考试，因此实际的设计时间并不充裕，甚至有点紧迫。在如此短的时间内，学生完成设计、制图、连线、测试、差错等的难度确实很大，在匆忙中出错的概率也会大大增加。一种解决方法是降低设计题目的难度，但降低题目就减少了设计的综合性特点，这与课程设计的初衷不符。考虑到课程设计的内容与理论教学、实验课程密切相关，建议将设计中的子电路进行模块化处理，将各子电路的设计安排至平时作业和实验中。例如，“数字钟”中需要的60进制、24进制计数的实现方案可布置为课后作业，同时在实验课程中安排学生完成。这样就使得设计的相关内容提前融入到基础阶段的学习中。学生可以提前进行思考和设计，大大节省了期末的设计时间，提高了设计效率。节省出的时间可用于方法的改进和创新等。

（三）制定实验规则，科学辅助设计。

课程设计的实验过程涉及了实验器件和工具的准备、发放、回收等步骤。为了能够保证设计顺利进行，往往需要指导老师、实验师、学生、班委的多方协作，制定一套科学有效的实验操作规则。如果规则制定或执行不当，就出现器件浪费、设计效率低下、实验师工作负荷增加等问题。建议由导师负责整个设计规则的统筹规划，同时与实验师、班委进行协调。具体措施分为设计前、设计中、设计后三个阶段。设计前，导师计划好设计时间，提前与实验师联系，讨论实验的分组、器件数量、发放规则等，之后让班委通知学生做好划分小组、设计准备、了解实验操作规则等工作。设计中，由班委负责分配器件和元件，导师和实验师巡查实验，帮助学生解决棘手的实验问题[2]。对常见问题要进行归纳总结，播放在投影仪上供学生参考。设计完成后，再由班委收集好实验器件，统一交给实验师，完成回收。另外，实验师要负责检查实验设备，更换问题设备。所有约定好的实验操作规则必须严格执行，保证实验的顺利进行。

（四）采用细化标准，科学评价设计。

类似于实验课程，传统的课程设计大多采用优秀、良好、中等、及格、不及格的五级评价体系。但由于课程设计具有综合性和复杂性的特点，学生完成设计的程度大不相同，因此五级评价方式不能细致反映设计的实际情况。为了解决这一问题，本文以数字钟的考核为例，介绍一套基于百分制量化的细化标准，对学生的课程设计进行考核评价。此套评分标准由三部分构成：

1.基本分数（Basic score，BS）。基本分数分为五档，分别是0档、1档（60分）、2档（70分）、3档（80分）、4档（90分）。

补充说明：（1） 对于划分为0档的学生，需要酌情给分。比如，学生只要完成时、分、秒显示三项中的任一项，即增加20分；（2） 对于某个附加功能完成不全的学生，同样需要酌情给分。例如，若学生已完成1档的功能要求，但在某一附加项目（如手动校时校分）上只完成校时功能。在这种情况下，该生在该档次的得分可为65分（60+5），即不完全满足该档的得分要求时，需根据情况适当扣分。

2.时间附加分（Additional score，AS）。考虑到学生完成设计的时间有快有慢，在完成相同功能的基础上，越快完成的学生理应获得更高的分数。因此，我们根据完成时间给予学生0～9分的时间附加分，给分规则如下：

（1）只有已完成1档功能的学生才有获得时间附加分的资格。

（2）时间附加分的计算方法是：根据基本功能的完成时间，对所有符合资格的学生进行排序（由快到慢），后将已排顺序学生均分为10组，每组学生获得相同加分。其中，0组对应于完成最快的学生，给附加分9分；1组其次，但附加分减为8分；依次类推，第9组附加分为0。

（3）要求：人数 > 分组数。

3.报告修正分（Correction score，CS）。课程设计报告是对课程设计的要求、设计方案、问题解决等方面的汇总，完成报告是毕业设计合格的必要条件，即学生如果没有提交报告，则最后总分为0。报告有其规范性，如内容完整（包含封面、目录、参考文献等）、版面条理、清楚、整齐、字迹工整、作图清晰、正确、结果分析可靠等。教师主要依据这些规范给予报告修正分。如果没有违反任何规范，则不扣分，CS记为0。如果违反相关规范，则酌情扣分。因此，CS为负数。

综合基本分数、时间附加分和报告修正分，一个学生最终的设计成绩（Final score，FS）可由以下公式计算得到：

FS=BS+AS+CS

三、结语

数字电路课程设计教学质量的优劣与指导教师、学生、实验师、硬件环境等多种因素有关。既有客观条件的约束，又有主观方面的原因。本文针对数电课程设计的实际问题，提出了一些改革建议，其中一些方案具有普遍适用性，可供其他院校参考。本文通过科学的分析与讨论，提出了可行的改革方案，以提高数字电路课程的教学质量，培养学生的学习热情和创新力。

参考文献：

[1]宋伟，朱幼莲.“数字电路”课程设计教学改革探索[J].江苏常州：江苏技术师范学院学报，2011（8）：70-73.

[2]莫琳.数字电路课程设计实验教学改革的探索与实践[J].北京：中国电力教育，2013（14）：122-123.