模拟与数字电路基础实验教学改革与探索

郭 翌，孔庆生，王 勇

（复旦大学 信息科学与工程学院，上海 200433）

模拟与数字电路基础实验教学改革与探索

郭 翌，孔庆生，王 勇

（复旦大学 信息科学与工程学院，上海 200433）

模拟与数字电路基础实验是高校电子信息类专业的核心基础实验课程。目前，实验课程存在内容陈旧，验证性实验多，综合性和设计性实验少的问题，难以激发学生的学习兴趣和创新意识。该文分析了基础实验教学的现状，从教学体系、方法和内容3个方面，对实验教学进行了探讨，提出了有效的改革措施。实践表明，这些措施对提高实验教学质量，培养学生的理论应用能力和研究创新能力具有重要意义。

模拟与数字电路基础实验；教学改革；层次化教学体系；启发式教学方法；应用型实验内容

模拟电子线路和数字逻辑基础是高校电子信息类专业学生非常重要的专业基础课程。两门课程一般在本科一二年级开设，主要让学生掌握电子学的基本知识，培养学生分析和设计电路的能力，为学生进一步学习专业知识和从事电子信息类相关工作打下扎实的基础。课程的理论性和实践性都很强，因此需要配套的实验课程对理论教学加以补充和扩展；通过实验教学，加深学生对基础理论知识的理解，提高学生分析、解决电路实际问题的能力。

根据复旦大学本科生通识教育和平台教学改革的要求，模拟与数字电路实验教学体系主要包括EDA电路仿真实验（模拟与数字电路基础实验）、基于面包板的电路实验和基于PCB板的电路实验3个层次。这3个层次针对不同年级的学生，从基础实验训练到综合性、设计性实验能力培养，循序渐进［1］；其中模拟与数字电路基础实验是实验教学体系的基础。通过EDA仿真软件提供的虚拟元器件和芯片实现电路连接，分析和观察实验结果，完成从理论到原理图设计与优化仿真的流程，有利于和后续实际硬件实验的衔接；然而，传统的实验教学大多仅对理论知识点进行简单验证，学生关注实验结果，忽视电路原理和设计过程；大部分实验内容陈旧，与快速发展的电子技术和现实生活脱节，难以激发学生的学习兴趣和创新性［2］。因此，本文根据复旦大学电子信息类专业学生的培养要求，对模拟与数字电路基础实验的教学体系、模式、方法和内容进行改革，提高实验教学有效性，培养学生的理论应用能力和研究创新能力。

1 教学现状和存在问题

由于课时数的限制，模拟与数字电路基础实验内容一般局限于验证模拟电路与数字电路理论课的结论，综合性实验较少。学生只要将教材上的电路图绘制在EDA仿真软件中就可以得到实验数据，而不需要了解电路基本原理和计算公式。这样的教学方法使得学生仅注重实验结果，不主动思考和分析实验现象及原因，与理论知识联系不紧密［3］。作为应用学科的实验课程，现有的教学内容陈旧，与现实生活中的新技术、新趋势相差甚远，学生无法学以致用，学习的兴趣和积极性难以激发；同时，电路基础实验是学生参与科研的早期形式，过于简单和直观的实验内容，限制了学生课后的进一步思考与拓展，不利于培养探索能力和研究能力。

2 实验教学的改革与创新

2.1 构建层次化实验教学体系

根据理论课程进度，优化配套实验内容，设计多层次实验教学体系。将以演示性和验证性为主的实验调整为验证性、综合性和设计性3个层次的实验［4－5］，在加深学生对理论知识理解的基础上，培养综合设计能力。

作为低年级的EDA仿真实验，基本电路单元的验证性实验，例如一阶／二阶低通、高通、带通、带阻电路，门电路的验证等是必不可少的。在软件中绘制基本单元电路图，能够帮助学生直观地观察各种电路现象，并更好地理解其工作原理；并且，通过简单的调试与仿真，学生能够初步掌握相关实验方法和熟练操作软件。

综合性实验在基本电路单元的基础上加以扩展，如多级晶体管放大电路、负反馈放大电路、秒表计数器等。学生除了利用电路图分析实验结果外，还需要根据实验要求，修改部分电路元器件及参数，以期达到最理想的结果［6］。综合性实验要求学生掌握各个器件和电路的原理功能，培养学生分析问题和综合实践能力。

设计性实验将独立分散的知识点整合成一个较全面的小项目，比如信号波形发生电路的设计和算术逻辑单元的设计等。学生利用所学知识自行选择元器件，设计实验方案，画出电路图，并完成调试和测量。设计性实验帮助学生全面梳理和运用知识点，锻炼了学生综合处理问题的能力。

经过优化调整后的层次化实验教学体系，前后有衔接，有一定的连贯性和逻辑性，完善和丰富了基础实验内容。

2.2 探索启发式实验教学方法

为了加强实验与理论课的联系，在设计实验课题时增加了启发思考部分。学生不仅需要完成整个实验得到正确结果，更要带着问题观察各种现象，进一步思考其产生原因和涉及的理论知识［1］。比如在晶体管放大器实验中，不断改变输入电压的幅度，测量其输出电压的最大不失真范围。通过观察输出电压波形图的变化，理解“静态工作点”对于晶体管放大器的作用；并通过改变射级电阻的值，了解相关参数对电路的影响。课后的实验报告中，要求学生计算理论值，并与实际测量值进行比较。此外，教师授课时根据知识点的逻辑性，开展对比教学。比如在做同步计数器实验时，将同步计数器的实验结果与异步计数器的进行比较，启发学生从元器件个数、时钟与计数器输出信号之间的关系、竞争与冒险等多角度分析两者的异同点。

这种启发式的教学方法不仅将实验课与理论课紧密串联，帮助学生加深对知识点的理解与掌握，还给予学生更多思考的空间，引导学生通过实验分析原因，将自主学习与主动思考相结合，激发学生探索研究的兴趣。

2.3 设计应用型实验内容

作为低年级的基础仿真实验，一般均为比较小和经典的简单电路模块，学生有时难以将实验所学到的知识与生活中的实际应用联系起来；因此，必须创新实验内容，将实验与实际应用及最新的电子技术有机结合［7－8］。对于验证性实验，每次课堂讲解时，教师不是照本宣科式地讲解实验步骤，而是首先介绍本电路的应用场合和设计思路，教会学生如何根据不同的应用选择元器件并绘制最优布局的电路图。在选做实验部分，指导学生将“小模块”改进为具有实际功能的“大项目”。例如，在同步计数器实验中，选做实验部分要求将同步计数器分别改进为十进制计数器和六进制计数器，并把两者结合，最终形成电子秒表。学生参与选做实验的积极性很高，了解了每个“小模块”的“大作用”。

对于综合性和设计性实验，选择与现实生活实例相关的内容，如交通灯控制电路和自动售货机等。要求学生预习时，观察交通灯红、黄、绿灯变换时间、顺序及优先级等，观察自动售货机投币、找零和出货的顺序等，鼓励学生将观察到的现象设计在电路里，并不断优化改进。将实验与生活有机结合，使学生不仅掌握了电子领域的知识技能，更能学以致用，培养学生的工程思维和将所学知识灵活运用于解决实际问题的能力。

针对部分对科研感兴趣的同学，我们在课后还开放实验室［9－10］，在实验课内容基础上，加入最新的前沿知识和技术，鼓励学生自由探索，深入研究，积极参加各类电子竞赛。自2010年以来，复旦大学电子工程系的学生多次荣获全国大学生电子设计竞赛、生物医学创新竞赛等全国一等奖。基础实验训练为学生在课题设计、电路软件调试等方面打下了扎实基础，为今后从事科研工作做好充足准备。

3 结束语

模拟与数字电路基础实验是整个电路实验教学体系的第一步，对于学生理解电路基本原理，提高分析能力和掌握相关实验方法有很大帮助。在实验教学方面，应随时引入新思想、新技术，不断完善教学内容，创新教学方法，提高教学质量，建立完整的实验教学体系，从而更好地培养电子信息类学生的实践能力和创新意识。

［1］王勇.模拟电子线路实验教学体系建设与改革［J］.实验科学与技术，2012，10（6）：50－51.

［2］聂幸.浅谈数字电路实验教学改革和学生创新能力的培养［J］.科教文汇旬刊，2013（34）：65－66.

［3］申杰奋.模拟电路理论与实验教学模式的改革与探索［J］.中国电力教育，2012（18）：80.

［4］李娜.计算机仿真技术在数字电路实验中的应用［J］.时代教育，2014（22）：6.

［5］何金儿，刘一清.改革《数字电路实验》教学培养学生创新能力［J］.教育教学论坛，2012（26）：8－10.

［6］孔庆生.模拟与数字电路基础实验［M］.上海：复旦大学出版社，2014.

［7］戴普明，孙维先.《数字电路实验》教学研究［J］.中国科技信息，2010（13）：213.

［8］卢娟，孙梯全，许凤慧，等.数字电路实验教学模式改革的探索与实践［C］／／中国电子教育学会高教分会2012年论文集.陕西：中国电子教育学会，2012：153－155.

［9］艾春鹏，张振辉.模拟电路实验教改实施与思考［J］.中国电力教育，2014（30）：67－68.

［10］张坤，张子才，陈义.模拟电路实验教学改革探索［J］.实验室科学，2008（1）：58－60.

表1 （续）

参考文献

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［6］黎九贤，郭焕富，于爱红.快速制作斜面培养基方法［J］.农村实用科技，2003（7）：18.

［7］李建学，张范强.斜面培养基分装技术的改进［J］.食用菌，1998，20（6）：12.

［8］李成林.一种快速分装试管的方法［J］.食用菌，2003，25（5）：44.

［9］李志东，谭红，舒丹，等.一种实验室培养基分装器，201020648307.X［P］.2011－09－07.

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［12］BIOTOOL SWITZERLAND.缺产品名称［EB／OL］.［2015－06－22］.http：／／www.biotoolswiss.com.

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［14］HUNG P J，LEE P J，SABOUNCHIP，et al.Continuous perfusion microfluidic cell culture array for high－throughput cell－based assays［J］.Biotechnology and Bioengineering，2005，89（1）：1－4.

［15］梁喜凤，王永维.一种琼脂培养基平皿无菌生产线，200820121521［P］.2009－05－27.

The Teaching Reform of Analog and Digital Essential Electronic Circuit Experiment

GUO Yi，KONG Qingsheng，WANG Yong
（School of Information Science and Technology，Fudan University，Shanghai200433，China）

The analog and digital essential electronic circuit experiment is one key experiment course for university electric majors.But the course suffers from several problems，including out－of－date projects，excessive validating and less comprehensive experiments，which can hardly motivate students’enthusiasm and creativity.The problems of the experiment course are analyzed and the reforming solutions from three aspects including teaching systems，methods and projects are proposed and discussed.These reforms effectively improve the course quality and cultivate students’learning and application ability，providing a solid foundation for their future study and research.

the analog and digital essential electronic circuit experiment；teaching reform；hierarchical teaching system；heuristic teaching method；application project

G642.0

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.036

2015－09－12；修改日期：2015－10－21

郭翌（1983－），女，博士，高级工程师，主要从事医学图像与信号处理的研究及实验教学工作。