以能力培养为导向的数字系统与逻辑设计实验教学改革

张雅楠 张姗姗

摘要：为了提高学生的实践和创新能力，对数字系统与逻辑设计实验教学进行了改革。包括优化调整实验内容;引入现代化信息技术辅助实验教学;采用启发式教学锻炼学生的逻辑思维能力，引导其自主学习。实践结果表明改革后的实验课程能充分调动学生的积极性，提升了学生的综合实践能力。

关键词：能力培养;实验内容;信息技术;启发性教学

中图分类号：G642.0 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）34-0122-02

数字系统与逻辑设计课程是电子信息类专业一门必修的核心专业基础课，具有很强的实践性。实验教学是培养应用型高级工程技术人才的一个非常关键和重要的环节，可以大幅度提升学生的动手能力、理论联系实际的能力和创新思维能力[1]。随着新一轮教学改革的深入，本文以数字系统与逻辑设计实验课程的持续改革为核心，从实验内容、教学手段和教学方法进行了改革探索，从而变实验辅导为实验引导，不断提高学生工程应用能力和自主创新能力。

1 实验内容

以往的实验教学明显附属于理论教学，目的主要是验证和加强对部分理论知识点的理解。因此设计的各个实验项目相对独立，关联性不强[2，3]，不利于培养学生对数字电路知识的综合应用能力。而且实验项目偏于理论化，脱离日常生活，不利于锻炼学生解决实际问题的能力。针对这些问题，结合多年的教学经验编写了校本实验教材，包括如下实验内容：

1.1合理分配不同类型实验的比例

实验一、四、十、十一以验证内容为主，目的是让学生掌握实验仪器的使用方法、数字逻辑电路的搭建和功能验证方法。其他实验项目以设计性内容为主，只给出集成电路型号和要求实现的功能，不再固定具体的实验步骤，由学生查阅资料，独立完成设计、功能验证、撰写报告的过程。如设计“交通灯故障检测器”“输血适配器”“流水灯电路”等，让学生边做边学，从而锻炼应用数字系统与逻辑设计知识解决实际问题的能力。实验十二为综合设计性实验，用于考核学生对门电路、组合逻辑电路和时序逻辑电路的综合应用、设计能力，以及分析实验现象、排除故障的能力，题目為多选一，如“汽车尾灯控制器”“篮球记分器”“抢答器”等。

1.2实验项目的实用性和趣味性 设计每项实验内容时，不再以验证理论教材的知识点为主，而是考虑电路的实用性、趣味性，从而调动学生的兴趣，变被动验证为主动探索，应用理论知识来解决实际问题。如“译码器和数码显示实验”中，为了让学生掌握译码器的片选功能和数码管的显示原理，设计的实验内容为：首先让若干数码管显示“ □□ ”等数字谐音码，然后利用译码器任意控制某个数码管的点亮和熄灭。实验过程中，学生们都积极地进行设计和演示，部分学生的电路结构和显示结果很有新意。

1.3 递进式实验内容

实践动手能力的培养必须遵循从基本操作技能到综合设计能力的过渡[4]，所以将实验内容分成基本部分和扩展部分，根据学生的具体情况做到因材施教。譬如在完成“触发器构成4位移位寄存器”实验后，有能力的学生可以选做“流水灯电路”的设计，使实践能力得到进一步提升。

2 信息技术辅助实验教学

数字系统与逻辑设计实验在实验箱上进行，电路连线复杂容易出错，排查故障困难，极易打击学生的热情。学生设计实验方案时，经常受到实验室现有元器件的制约，不能充分发挥创造性。采用现代化信息技术辅助实验教学是一种行之有效的解决方案。

2.1 多媒体技术的应用

多媒体技术具有丰富的表现形式，可以多方位刺激学生的感官，从而提高学习效率。先进的信息技术可以创造出生动形象的教学情境，从而激发学生的兴趣，主动学习。

为了锻炼学生的基本实验技能，我们制作了“数字电路常用仪器”课件，包括实验箱、集成电路测试仪和示波器。制作时采集了大量实物图片，尽量还原现实场景，使学生最大限度地熟悉实验设备。课件具有明确的提示和清晰的导航按钮，使用方便。如鼠标划过仪器图片，屏幕提示该仪器在实验中的作用，并说明点击图片可查看具体的使用过程。课件还充分利用人机交互功能，使学生边浏览边动手操作，切实锻炼实验技能，以便于在真实实验中提高成功率。

为了使学生牢固掌握数字电路理论知识，从而在综合设计实验时能够得心应手，我们制作了“数字系统与逻辑设计实验”课件，内容包括理论知识、故障排查和习题测试。理论知识主要以动画的形式介绍了常用集成电路的封装、型号和逻辑功能;故障排查列举了常见故障现象、可能原因和检查方法，以引导学生自行解决问题;习题测试检查学生的自学情况。

多媒体课件的使用，使学生在任何时间地点都可以进行实验操作训练，从而锻炼动手能力，提高实验效率。

2.2 虚拟仿真软件的应用

Multisim14仿真软件非常适合数字系统与逻辑设计实验教学，其自带的元件库涵盖了绝大多数常用电子元器件，可以方便地进行电路的设计与仿真分析[5，6]。虚拟实验在本实验教学中的应用主要体现在以下方面：

1）掌握常用集成电路的逻辑功能：每项实验都涉及一种新的集成电路，可以让学生在实验前通过仿真软件查看其逻辑功能，且可多次反复操作，以提高熟练程度，从而为后续的设计内容打好基础。

2）验证和优化设计方案：每项实验的设计部分，学生可以通过仿真软件进行功能验证，通过后再在实验室搭建实际电路完成。如果发现设计方案有问题，或者电路太过复杂，还可以方便地通过软件进行修改，省去了在实验箱上多次连线、排查故障的过程。通过仿真软件，还可以方便地对多种方案进行设计，并查看结果比对优缺点。

采用虚拟仿真软件辅助实验教学，提高了学生的实验成功率，开拓了学生的数字电路设计思维，得到了良好的教学效果。

3 启发式教学方法锻炼学生的数字逻辑思维

启发式教学作为一种教学指导思想和总的教学方法，已为广大教育工作者所熟悉和接受。在数字系统与逻辑设计实验教学中应用启发式教学方法，主要应注重启发学生的数字逻辑思维和实际动手操作能力[7，8]。通过启发引导，使学生在学习数字电子技术实验内容的同时掌握对电路进行设计、分析的技能和方法。

在基础实验中增加比较、分析、讨论的环节，引导学生理解不同的逻辑特性对数字电路设计的影响。如设计M进制计数器的方法有反馈清零法或反馈置数法，反馈清零法又涉及同步清零和异步清零的问题。实验前要求学生用仿真软件分别依据3种方法设计电路，并描述设计过程，总结设计的区别和注意事项，从而加深对知识点的理解。

对于综合设计题目，启发学生分析电路的核心功能，然后尝试不同的设计方案，最终分析各种方案的优缺点并做出选择，从而提高解决实际问题的能力和创新能力。比如“抢答器的设计”实验，其根本功能是实现数据的锁存和显示，而触发器、计数器、移位寄存等集成电路都具有锁存功能。所以在三个实验中都安排了设计抢答器的扩展环节，到最后的综合设计实验，学生自然而然地知道设计方案的多样性以及每种方案的电路结构和特性，从而做到隨意发挥。

4 结论

本文以能力培养为导向对数字系统与逻辑设计实验教学进行了一系列的改革，使学生明确了理论知识与实际应用的联系，激发了学生对实验课程的兴趣，提升了解决实际问题的能力和创新能力。学生质量不断提高，在各类竞赛中成绩突出，获得社会广泛认可。

参考文献：

[1]罗海波，阮志强，林文忠，应用型本科高校数字系统综合能力培养的探索与实践[J].教育现代化，2019（56）：160-162.

[2]邓文婷，基于应用的电子技术实验课程改革与实践[J].实验科学与技术，201 8，6（3）：104-106.

[3]刘秀峰，创新实验教学在数字电子技术课程中应用的探索[J].职校论坛，2013（11）：292.

[4]蔡红娟，蔡苗，翟晟.独立学院“电子线路实验”教学改革探索[J].实验室研究与探索，2011，30（9）：287-289

[5]王旭.Multisim14.0软件在数字电子技术教学中的应用[J].电子技术与软件工程，2018（14）：54-55.

[6]易向东，基于虚拟仿真技术的数字电路课程教学改革与实践[J].科技创新导报，2018（1）：225-226.

[7]刘燕.启发式教学在数字电子技术实验课程中的应用研究 [J].电脑与电信，2016（07）：39-40.

[8]马军荣，思维教学在数字电子技术中的应用[J].科教论坛，2018（11）：44.

【通联编辑：光文玲】

收稿日期：2019-08-22

基金项目：大连海事大学校级教学改革项目，“基于三学期教学模式的信息类实验教学改革与研究”（项目编号：2018Y30）

作者简介：张雅楠（1982-），女，辽宁海城人，工学硕士，大连海事大学信息科学技术学院实验师、实验教师，主要研究方向为电子技术相关课程的实验教学。