论学生中心视域下验证性实验的有效实施

刘宏月 梁义涛 张猛

摘要：验证性实验在工程专业实验教学中的作用是基础性的，为落实以学生所得为中心的认证理念，应该更新对验证性实验的认知，实时开展个性化教学。在实验教学实施的过程中，教师要重视学生在验证性实验项目上的参与度和获得感，做到差别对待，有效利用课时;试错调试，提升实际问题分析能力;重复实验.提升EDA设计体验。

关键词：工程教育专业认证;实验教学;验证性实验

“学生中心、成果导向、持续改进”是工程教育专业认证的三大核心理念。其中，“学生中心”理念体现了工程教育的本质目的，是要以“学生所得”为培养目标达成的评价核心和落脚点，是专业认证中首要和根本的理念。“成果导向”是在以“学生所得”为中心的基础上教学设计、组织和实施的具体方法论。“持续改进”是在以“学生所得”为中心的基础上瞄准培养目标、毕业要求达成的保障体系建立的基本原则。以学生为中心原则要求面向全体学生进行评价，即常说的“看差不看优”。

工程教育专业评价的核心內容是“学生所得”。对工程类专业学生而言，工程实践的素质和能力就是“学生所得”的核心。当今，工程实践教育早已成为工科类高等教育的基本教育环节，其基本内容涵盖了课程内实验、实践课程、实习环节、毕业设计以及其他创新实践类环节（如第二课堂等）。“学生所得”具化到实验教学过程中，直接体现为认识一体验一再认识一再体验的仪器设备操作和工程设计能力提高的过程。笔者尝试结合所授课程EDA技术基础，在学生中心视域下，就课程内实验中验证性实验的教学设计和组织进行研究。

一、EDA技术基础课程性质及实验项目设置

电子信息类专业都会开设一门专业课程——EDA技术基础。它是一门综合应用各课程知识的综合性应用课程，也是一门直接应用于实际工程设计的专业工程设计课程。其先修课程包括模电、数电、微机原理等课程，是一门融合电子设计技术和计算机技术的“集成性”技术课程。

课程教学内容上，涉及可编程逻辑器件的基本认知知识、设计技术的基本原理和方法，编程语言及其在电子系统设计中的应用、相关的软件设计平台的熟练使用等。整体的设计过程包含四个环节：需求分析、设计输入、设计仿真及分析、下载实现。需求分析与其他编程类课程没有太大的差别，最终给出关键信号或逻辑变量以及相应的抽象逻辑应用模型即可。设计输入包括两种方式：原理图输入或文本输入。而在一个较为复杂的电子产品设计中往往会涉及两种输入方式配合使用的情况，因此对于需求分析形成的逻辑模型的功能划分就成为关键。常见的做法是基本的功能单元使用文本输入的方式，生成本系统专用的逻辑器件，系统顶层使用原理图输入方式，将设计好的各个功能逻辑单元进行连接形成最终系统。设计仿真主要有时序仿真和功能仿真两种，时序仿真主要就是分析设计给出的实际时序结果从逻辑上是否满足要求，而功能仿真则是指结合了实际的芯片后，时序是否还能保持原有的设计要求。实际上，功能仿真更加接近实践，通过设备下载到芯片或配置芯片上，就可以实际运行了。针对以上内容及要求，本课程设置了8个实验，共计20学时，占总课时数的37%。就课程实验教学环节而言，常规意义上可分为三个层次的实验设置：验证性实验、综合性实验和设计性实验。验证性实验是指对研究对象有了一定了解，并形成了某种假说，为了验证这种假说是否正确而进行的一种实验。验证性实验的主要目的并不是为了搜集事实材料，而是要把研究工作引向深入，从而加深对研究对象的某些性质和规律的认识。综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关课程知识的实验。设计性实验指给定实验目的要求和提供实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。

基于课程目标、毕业要求和培养目标的达成，在教学内容设计上，三类实验应该是一个有机的整体，而教学组织等实施环节更应该侧重它们对于学生创新性培养和学生参与度逐次递进的有效衔接。

二、重视验证性实验的实施过程

验证性实验一般在课程实验内容上占较大的比例（EDA技术基础课程验证性实验占总实验学时的60%），其设置的目的是通过验证某种课程内相关知识点的假说，在不断完善对课程要求知识和技能的直观认识基础上，促进学生课程认知能力的提高，为后续的综合性、设计性实验乃至创新性科技活动打下基础。在实际的实施过程中，如果教学实施过程中只是简单孤立地对待一个个的实验项目，却忽略了各个课内实验的设置是一个有机整体，尤其是对于验证性实验重视不够，往往会造成衔接不畅的情况，势必影响教学效果。因此，在实验教学实施的过程中，尤其要重视学生在验证性实验项目上的参与度和获得感。

（一）差别对待，有效利用课时

通常情况下，实施验证性实验的一般过程是：通过教师讲解使得学生了解某实验的实验原理、实验方法与步骤、实验注意事项：学生严格按照实验指导的流程进行操作并观测现象及结果，最后完成实验，分析比较结果，获取相关知识和技能。这一过程中，只要学生严格按照要求操作，一般均能又快又好地完成实验。但是，由于学生实验动手能力存在差别，有些学生完成实验较快。这时，我们会对学生重新分组，实验做得好的学生指导做得不好的学生，让学习程度不同的学生各有所得。

另外，教师还可根据学生的实验完成情况，实时微调或扩展实验内容，提高他们对实验设备、实验环境的熟悉程度。本课程所使用的实验设备有10种工作模式，对应10种不同的电路结构图，验证性实验指导说明中会直接指定某种工作模式。教师通过深入讲解不同的工作模式工作原理和电路结构，对同一个实验进行设计微调或改动，可以选择不同的工作模式实现，从而达到激发学生主动学习意愿的目的。

（二）试错调试，提升实际问题分析能力

教师可以积极地引导学生对设计输入进行试错，如连接线缺失、输入错误等，针对出现的调试信息进行分析，并与实际操作相对应，让学生形成较为直观的印象。整个调试问题的解决过程学生能够亲身体会，印象也就更深刻。

比如，学生对于仿真阶段必须设定的时钟频率的概念认识模糊，实际中只是机械地选用默认工作主频设置。这往往会造成功能仿真阶段设计结果出现逻辑错误和毛刺，但是从实验设计逻辑中却找不到错误，如果没有设计经验，对这类错误的调试将无从下手。教学实践中，当这类错误发生时，我们并不是直接指出学生的错误所在，而是引导学生在仿真阶段多次重复，设置不同的时钟频率，使学生认识到时钟频率设置不同会影响最终的仿真结果。然后再讲解FPGA器件工作主频对电子系统设计的重要作用，使学生从实践到理论全面理解仿真阶段工作主频设置的重要性和设置原则。引申介绍主频信息可以从FPGA芯片手册中获取，进而引出阅读芯片手册的重要性及方法。如此，一个调试过程，可以使学生亲身体验和领会相关概念的内涵和外延，有益于学生对于相关知识体系的搭建和认知的丰富。

（三）重复实验，提升EDA设计体验

实验指导书通常给出的是原理性设计的引导，学生需要用文本输入的方式进行改写。体会程序设计（文本设计方法）给现代电子系统设计带来了变化，其方便、快捷、直观，突破了领域局限。本课程实验中，有两个验证性实验是紧密相关的，一个是原理图输入形式的一位全加器的设计，另一个是利用设计好的一位全加器器件组合为一个四位全加器，依然是原理图设计输入形式。在学习了相關的设计语言之后，还可返回前面实验.引导学生用设计语言设计一位全加器，且要求运用不同的表达方式。然后再将该设计打包成一位全加器器件，按照原来的实验设计用原理图设计输入的形式实现四位全加器设计。学生在此过程中，可以充分体验利用已有器件库的原理图设计方法与利用硬件编程语言的文本设计方法的等效性特点。

另外，由于硬件编程语言的格式要求，一位全加器的功能语句最少可能只有两条即可实现，但形式上看起来不一定很简洁。这时教师可以适时地引入程序设计的四位全加器进行比较，使学生直接体会到越是复杂的系统设计，程序设计的优点就会越突出。

根据实施的经验来看，这部分的重复设计工作可以在课外进行，课内只是下载验证一下，因此，一般不需要占用太多的课时。但是，对于激发学生的主动学习兴趣和提升能力却非常有效。

三、结语

综上，只有进一步优化验证性实验教学方法，强化验证性实验过程的灵活性和重复性，针对每个学生的不同程度、不同问题，实时微调实验方案，才能切实做到以“学生所得”为中心的认证理念的落实，提升工程专业学生的工程实践能力，提高学生的培养质量。