工程教育专业认证背景下数字电子技术实验改革

李建霞, 闫朝阳

(燕山大学 电气工程学院， 河北 秦皇岛 066004)

工程教育专业认证背景下数字电子技术实验改革

李建霞, 闫朝阳

(燕山大学 电气工程学院， 河北 秦皇岛 066004)

为配合工程教育专业认证要求，学校从实验内容、教学模式和成绩考核体系三个方面对数字电子技术基础实验进行改革。依托项目式教学，建立分解-综合层次化实验内容体系，不仅培养学生分析解决问题的工程能力，还培养了学生的综合工程思维模式；利用国家示范教学中心网站，构建虚拟网络辅助教学平台和预约平台，为学生提供纵横向延伸的学习资源，同时提高师生工作学习效率；参考CDIO工程训练模式，构建科学量化的成绩考核评价标准，最大程度上激发学生实验学习的积极性，提高学生实验水平。实践证明，数字电子技术基础实验的改革是符合工程教育专业认证要求的，提高了学生学习主动性，扎实了学生基本实验技能，培养了学生工程应用的能力。

项目式教学; 虚拟网络平台; 数字电子技术； 实验成绩考核体系

0 引 言

工程教育专业认证指以保证与改进高校工程技术领域相关专业的教育质量为目的,由专业认证机构对高校相关专业进行评估,以确定其是否达到既定的专业最低标准的一种资格认定[1-4]。随着经济的全球化和工程技术职业的全球化发展，工程教育专业认证在国内外已引起广泛重视[5-7]。自2013 年我国正式加入国际工程师互认体系中最具权威性的《华盛顿协议》以后[8-10]，高校积极采用国际化标准，构建我国高等工程教育质量监控体系，进一步提高我国高等工程教育国际化水平和人才培养质量[11-12]。

实验教学作为高校教育中培养学生实际动手能力和提高综合素质的重要环节，不仅可以传授知识、验证理论和掌握实验技能，而且促使学生探索未知知识，培养学生创新能力和独立解决问题的能力[13]。近年来，随着高校教学改革的深入，工程教育认证把对实践教学环节的考查放在突出位置，明确提出要设置完善的实践教学体系，培养学生的工程应用能力[15-16]。数字电子技术实验作为电类基础实验课，面对大二学生，没有开始开设专业课，专业实验基础和实验技能经验几乎为零，同时，进入大三后会大量开设专业课程，需要学生掌握熟练的实验技能和分析解决实验中所出现问题的能力。所以其肩负着实验技能入门和专业实验能力初步培养的双重作用，在工程教育认证过程中占了很重要的位置，受到高校的广泛关注。我校国家示范教学中心数字实验室通过摸索学习，近年来逐步建立了层次化的实验内容体系，多样化的实验教学模式和科学量化的教学评价体系，所教授的专业已经有2个顺利通过国际工程教育专业认证。

1 数字电子技术基础实验室建设

迎合国际工程教育专业认证的要求标准，数字实验室从实验内容，实验教学模式和实验成绩评定标准三个方面，对数字电子技术实验进行教学改革。

1.1 构建分解-综合层次化实验内容体系

分解-综合层次化实验内容体系的基本思想：分解数字电子技术课程的教学内容为若干个重要知识点，每一个或者两个知识点综合起来设计一个设计型的实验项目。若干个(尽量多)知识点综合起来设计综合型的实验项目。但是综合型和设计型的实验项目不是互相独立的，综合型实验项目是多个设计型实验项目的综合(见图1)。每个班级学生会有多组综合实验项目，每个综合实验项目对应其设计型实验项目。

图1 分解-综合层次化实验内容体系

实验内容分为3种实验类型：验证型、设计型、综合型。验证型实验旨在教授学生掌握基本实验技能，理解基础知识点原理，完成知识点理论验证。设计型实验，每组成员针对自己的设计项目进行设计，各组的设计题目不同。综合型项目是每组设计型项目的综合，学生把自己设计的设计型项目综合起来，就得到综合实验的设计项目。分解-综合的实验教学内容体系，通过分解综合实验项目为多个简单知识点小项目，简单小项目采用设计型实验简单设计的形式来完成。该简单的设计型实验形式，考虑了大二学生实验技能基础薄弱，实验经验少，无法直接进行综合性实验的特点，便于学生入门实验，理解知识点，初步培养学生分析解决问题的工程能力。综合实验中，通过综合各个基础知识点，即综合各个设计型实验完成综合实验项目的过程，让学生理解各个知识点的协接，加深学生对理论课程知识的理解，同时培养学生的综合工程思维模式，提高学生综合解决和分析问题的工程能力。

数字电子技术实验教学大纲分为12个学时，具体知识点学时划分见表1。实验一为验证型实验，主要学习数字实验箱、常用TTL集成芯片的用法，完成常用芯片基本逻辑功能测试。实验二、三、四为设计型实验。实验五对应四个学时，为综合型实验。

表1 知识点学时划分

现以一个综合实验项目为例，设计一个电梯控制电路：0～6层。乘客在0层进入电梯后按下目的楼层，电梯运行至目的楼层后停留8 s，自动回到1层。电梯运行过程中在八段数码管上实时显示电梯所在楼层数，同时在点阵电路上显示上下箭头以提示电梯处于上升还是下降状态。

将题目分解为以下几个子题目，作为设计型实验的题目。分解如下：① 将拨码开关输入的四位二进制数BCD码通过组合逻辑电路转化为七段码信号，在段控数码管上输出(实验二(一))。② 将拨码开关四四分为两组，作为两个输入，采用组合逻辑电路对他们进行比较。结果相同，红色指示灯亮。结果不同，绿色指示灯亮(实验二(二))。③ 用一个拨码开关控制点阵模块显示箭头。当输入为1时，显示上升箭头，输入为0时，显示下降箭头(实验三(一))。④ 用触发器设计一个7进制倒计时计数器。输出结果以二进制形式采用彩灯亮灭来指示显示(实验四(一))。⑤ 用加法计数器74160设计一个四位拨码开关输入的二进制数位的加法计数器。有复位开关，计数达到时，计数停止。结果在四个彩灯上以四位二进制形式表示(实验四(二))。

将5个子项目综合起来就得到综合实验项目，过程如图2所示。

图2 分解-综合层次化实验项目构建

1.2 构建多样化教学模式

依托国家级示范教学中心网站，数字实验室建立了虚拟网络辅助教学平台和网络预约平台。虚拟网络辅助教学平台为学生搭建纵横两条知识点主线延伸平台。横向延伸平台有助于学生从多个角度理解掌握所学知识点内涵及其应用方法。纵向延伸平台有助于学有余力、有兴趣的学生对知识点进一步的探索学习，进一步加深学生能力的培养。网络预约平台可以合理有效利用实验室硬件资源，以开放式的学习模式，给学生提供更多的学习资源。

(1) 虚拟网络辅助教学平台。随着电子信息化时代的发展，网络已经成为学生生活中一项很重要的内容。数字实验室充分把握这一时代特点，搭建网络辅助教学平台，为学生提供更多的学习资源。

首先，搭建数字电子技术课程常用的几种软件实验平台，给学生构建纵向横向两个实验探索主线，拓展学生知识面，实现一个问题多个解决办法。针对数字电子技术实验的特点，网络辅助教学平台提供了maxplus2，Quartus2，Multisim，pspice，Preteus五个教学软件平台。每种软件给出了安装包，软件安装方法及软件使用说明的Word版文字说明，视频演示说明。同时，针对同一个例题，采用不同软件进行介绍演示。其次，为了迎合我们提出的分解-综合层次化的实验教学内容体系，将每个综合型实验项目及其对应的设计型实验模块的实验题目发到网上，学生可以随时查阅自己每节课需要做的实验项目，如图3所示。

图3 虚拟网络辅助教学平台

通过网络辅助教学平台提供的资源，学生可尽快掌握基本实验技能，既提高学习效率，又调动学生积极性。网络辅助教学平台的应用，学生可在课下完成实验项目的设计并完成软件仿真验证，最后再进行实验室硬件实验验证，提高了学生学习的灵活性和提高实验设备的应用率。网络辅助教学平台的应用，学生可以应用软件平台通过电路仿真对实验现象进行综合分析，加深了学生对基础知识点的理解。学有余力的同学，可以对自己感兴趣的理论课上面的例题进行仿真分析，培养了学生的自主学习能力。

(2) 虚拟网络预约平台。便于合理有效利用实验室硬件资源，建立虚拟网络预约平台，形成开放式的实验模式，增加学生实验学习的灵活性。

网络预约平台提供开放式的实验教学时间，建立实验时间和实验项目网上预约平台。学生根据自己的具体情况通过网络预约平台预约实验时间和实验项目，完成自己的实验课程。实验教师根据网上预约的情况，准备实验设备和实验项目，工作目的性和计划性更强，工作效率更高。网络预约平台的建设，建立起了学生，教师和实验室三者之间的沟通桥梁，避免学生做实验时等待实验设备、或者教师指导不足的现象，提高学生学习效率。避免了实验教师在实验室等待，没有学生做实验的情况发生，提高了教师的工作效率。

1.3 制定科学量化的实验成绩考核标准

科学的实验考核体系不但可以客观的对学生的实验能力进行评价，更能在一定程度上激发学生实验学习的积极性，提高学生实验水平。鉴于其重要性，我们参考CDIO工程教育模式，建立了完整的科学量化的实验成绩评价体系，如表2所示。

实验成绩评价体系从预习情况、完成情况、实验记录及分析情况3个考察点单独对每个实验项目进行考核。每个考察点有一定的加权比重，如表中所示。每个实验项目根据实验类别的不同，制定不同的考核标准。实验一为验证性实验，重点考核学生实验操作技能是否规范，实验结果记录是否清晰明了。实验二、三、四3个设计型实验，从设计思路、实验操作、实验现象分析等方面对学生进行考核。实验五为综合实验，设计阶段允许几个同学合作完成，操作阶段个人完成，实验现象完成之后进行一个简单的答辩，老师根据学生的理解掌握程度以及学生对实验现象的分析能力综合给出其成绩。学生的最终得分成绩由所有实验项目的成绩加权得到。

表2 实验成绩考核标准

2 结 语

中心数字实验室在国际工程教育专业认证大形势下，改革实验教学，依托项目式教学，建立分解-综合的层次化数字实验教学内容体系，引导学生逐步提高实验技能和分析解决问题的能力，逐步建立工程思维方式；依托国家级示范教学中心网站，构建多样化的教学模式，为学生提供网络化学习平台，增加学生学习的灵活性，为学生能力的深度广度双重拓展提供可能；参考CDIO工程教育模式，制定科学量化的实验成绩考核标准，提高了学生学习的积极性，激发学生学习兴趣。数字实验实施教学改革2年多来，学生实验技能，实验兴趣，对实验原理的理解等都有了很大的提高。尤其分解-综合的项目式层次化实验内容，加强了学生对整个数字电子技术这个课有了更深的系统性理解。目前，我们所教授的两个专业-电子信息专业和自动化专业，已经顺利通过了国际工程教育专业认证。实践证明，数字电子技术实验教学改革成效显著，值得进一步推广和完善。

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Digital Electronic Technology Experimental Teaching Reform under Engineering Education Professional Certification

LIJian-xia，YANZhao-yang

(Yanshan University National Teaching Demonstration Center, College of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, Hebei， China)

To meet the demand of engineering education professional certification, this paper researches the digital electronic technology experiment reform. Based on the project teaching, the hierarchical experimental content system was established to cultivate students' ability of solving problems and engineering thinking mode. Relying on national demonstration teaching center website, the diversification of teaching mode was built to provide more learning resources for students. Referencing CDIO engineering training mode, a scientific and quantitative performance evaluation standard was built, it improved the students' learning interests. Practice proved that the reform of the digital electronic technology experiment is suitable to engineering education professional certification, improved the students' learning initiative, improved the students' basic experiment skills, also improved the students' ability to solve engineering problems.

project teaching； virtual network platform； digital electronic technology; experimental result evaluation system

2016-04-15

李建霞(1981-)，女，河北邢台人，硕士，实验师，研究方向为数字电子技术基础实验教学，EDA教学。

Tel.：15233530219; E-mail：17276865@qq.com

G 642

A

1006-7167(2017)01-0156-04