基于口袋实验箱的“数字系统综合设计”课程教学改革探索

丁凯，肖慧娟，陶铭，谢仁平，李广明，黄培灿

东莞理工学院 计算机科学与技术学院，广东 东莞 523808

0 引言

“数字系统综合设计”是计算机科学与技术专业的必修课，是“计算机系统I”课程实践的深化教学。课程介绍了数字电路常用器件的功能和辨识方法、常用实验工具的使用方法、数字电路搭建和调试方法。课程开设了多个验证性、设计性和综合性实验项目，其中一个大型综合实验不仅要求仿真实现，还要做成电路实物。通过这些实验项目，使学生掌握数字系统设计实现的步骤和方法，提高硬件设计和制作能力。本课程的工程实践性强，传统教学方式以计算机仿真、插拔线式实验箱为主，实验方式固化，灵活性不高，导致学生实践能力薄弱，理论理解不深刻，学习兴趣不高。因此，“数字系统综合设计”课程教学改革迫在眉睫。

本文总结和分析了“数字系统综合设计”课程的特点和以往教学中存在的问题，以东莞理工学院计算机科学与技术专业作为课程改革对象，从教学内容、教学方式、实验资源和考核方式等方面进行了探索与改革。为了增强实验的灵活性，激发学生的学习兴趣，课程组自主开发了口袋实验箱，建设了丰富的自主学习资源以及便捷的实验平台，结合启发式教学方法，增设大量的具有应用性、系统性和导学性的设计性和综合性实验项目，增加了答辩作为实验考核的重要环节，实现培养具有创新意识和工程实践能力的高素质工程型与应用型创新人才的课程改革目标。

1 “数字系统综合设计”课程教学中存在的问题

1.1 实验课程以仿真为主

一般院校均采用计算机仿真的方式开展实验：将设计好的电路图通过EDA（Electronic design automation，EDA）软件进行实时模拟，模拟出实际功能，然后进行分析改进，从而实现电路的优化设计。常用的EDA软件有Proteus，LTspice，Tina-TI，Multism，Scratch等。运用软件进行仿真，对于加深学生理解电路基础知识具有一定的帮助和促进作用。然后，尽管仿真技术可以实现电路设计模拟，但是仿真与真正意义上的电路设计和实现还是有较大的差距，仿真技术无法真正取代真正的电路设计，如果学生对计算机硬件的学习，仅仅局限于仿真模拟，不动手制作实物电子作品，那么他们的计算机硬件分析和设计实践能力难以得到真正的锻炼和提高[1]。

1.2 实验多以验证性为主

传统的实验教学以验证性实验为主，设计性和综合性实验相对较少。《数字系统综合设计》的验证性实验通常是由教师给出电路图和实验操作步骤，学生按照实验操作步骤绘制电路图，对已知的结论进行再次验证，可以促使学生对基本概念的掌握，理解“实践是检验真理的唯一标准”这一哲学原理。验证性实验可以训练学生基本的实验技能，加强学生使用仿真软件的熟练度，提升学生撰写实验报告的写作能力，培养学生对本课程的兴趣[2]。然而，由于验证性实验的操作过程是按部就班实施的，而且实验结果均在预料之中，学生难以遇到真实设计过程中遇到的各种不确定性因素和问题，缺乏独立思考、自主探究和处理复杂问题的机会。

1.3 实验设备比较老化

目前，有些院校采用插线板式的硬件实验箱开展数字系统相关实验，在实验中，学生只需要按照实验指导步骤，通过插拔线的方式连接电路，接通电源并调试后即可观察到结果，这种实验方法操作简单，可以帮助理解所学的理论知识。然而，插线板式的硬件实验箱电路固化，灵活性不高；实验内容受到限制，以验证实验为主，不能设计较复杂的实验；实验项目往往针对单一课程，扩展性不强；插拔线实验箱往往体积较大，通常不可带出实验室；学生实验时按部就班，通过插拔线进行操作，不易领悟背后的原理，难以锻炼动手能力。同时，这种硬件实验箱维护比较麻烦，插线、拔线操作繁琐，元器件老化较快，损坏后更换困难，经常需要厂家来学校维修[1-2]。

基于以上对“数字系统综合设计”课程中存在问题的分析，本文从实验课程内容，实验类型设置，实验设备改进和实验考核方式改革几个方面进行了改革和探索。

2 课程教学目标的明确

在“新工科”建设背景下，在对行业/企业、用人单位、高校、校友进行调研，以及对本院系师资队伍基础、软硬件条件及教学、科研特色进行调研的基础上，参考工程教育专业认证标准，以应用为本、学生为本、特色为本、课程为本为基本原则，以帮助学生打下扎实的专业基础、提升专业能力、培养科学思维为根本目标，确定了本课程的教学目标[3]。

（1）能力目标。掌握数字电路分析与设计的一般方法，培养工程问题的分析能力和解决能力；培养数字电路实验研究的能力，具有计算机数字系统开发的初步能力；培养学生硬件实验研究能力；具有设计实验、执行实验以及分析实验结果的能力；具有使用计算机辅助软件设计电路的能力。

（2）素质目标。培养学生探究工程科学的兴趣、独立思考的习惯和严谨的科学态度；养成勤于动手、善于动手的习惯和能力，具有理论联系实际的工程意识和逻辑推理的思维习惯；逐步培养学生从事工程技术工作的素质和能力。

（3）知识目标。具备数字电路实践的基本技能，为专业学习打下硬件基础；认识常用数字器件及功能，熟悉数字系统设计的常用软硬件工具，如Proteus仿真软件、电路测试的万用表；掌握数字系统设计开发的一般步骤和方法，具有设计和实现简单数字电路的基本能力。

3 课程教学改革探索与实践

3.1 口袋实验箱设计

为了方便学生有效地开展实验，使实验不受时间、地点限制，课程组自制了150套口袋实验箱，发放给学生人手一套。口袋实验箱最早是由美国斯坦福大学Clifton Roozeboom博士提出的，随后，英国的德蒙福特大学设计一款以ARM为核心的开发板，供学生实验和项目开发使用，一种新的教学模式孕育而生[4-5]。口袋实验箱，使用灵活，体积小，可携带，仅为传统的1/3大小，模电、数电、单片机、嵌入式、硬件毕业设计等都可以用到。目前，集成芯片的快速发展为口袋实验箱提供优越条件[6]。

本课程组结合“数字系统综合设计”中的实验项目，研发设计了便于学生自主实验的口袋实验箱，实验箱中包括面包板、电阻、LED、数码管、二选一微动开关、芯片（7400,7404，7410,7420,7430,74147,4511等）、电源线、镊子、剥线钳、导线、万用表、元件盒等设备和元器件。图1和表1分别为课程组自制硬件口袋实验箱与厂家插拔线式实验箱外观及性能对比。自制口袋实验箱拥有大面积面包板实验区，实验设计灵活性大，可做较大规模实验；面包板连线，更易领悟原理。学生领取口袋实验箱后，可以在课后自主设计制作实物实验作品，相当于进行了电子工艺实习。自制口袋实验箱具有“小身材，大能量，开源性”的优点，方便学生二次开发，无论何时何地，学生都可以实验和二次开发，增强学生积极性和创新性。

表1 自制口袋实验箱与传统插拔线式实验箱性能对比

图1 自制硬件口袋实验箱与厂家插拔线式实验箱对比

3.2 实验教学内容设计

课程组对《数字系统综合设计》课程教学进行了改革，将部分理论教学内容设计成实验项目教学，精心设计了大量具有应用性、系统性和导学性的设计性和综合性实验项目，取代了部分验证性实验项目。大部分实验项目源自于生产实践，理论教学和实验教学内容全覆盖课程内容，项目设计不仅是为巩固理论知识服务，更是要求从中完成理论知识的学习，即项目具有较强的导学性。

改革后的实验课程包括6个实验，其中有1个验证性实验，3个设计性实验，2个综合性实验，学生从两个综合性实验中选择一个完成实物作品制作。实验项目名称为：①数字系统仿真软件及实验器材的使用（验证）；②单脉冲计数器的设计仿真实验（设计）；③循环流动彩灯设计仿真实验（设计）；④三路可存储计分器设计仿真实验（设计）；⑤带抢答定时和得分统计的数字抢答器的仿真和电路制作（综合）；⑥交通灯设计仿真实验（综合）。通过开设更多的设计和综合性实验项目，让学生接触电路设计过程中遇到的各种不确定性因素和问题，引导学生独立思考、自主探究，锻炼学生的动手能力和分析问题、解决问题的能力，间接促使学生对理论知识部分的深入理解。

3.3 采用启发式教学理念设计实验

为了增加设计性和综合性实验的数量，提高实验的质量，本项目组采用启发式教学理念，对实验教学和授课方式进行了改革。在改革中我们发现，对于设计性和综合性实验，其电路相对比较复杂，若不给出电路原理图，学生设计时无从下手；若给出电路图，势必影响培养学生独立思考、解决问题的能力。为此，我们将实验项目功能分解成多个部分，启发式讲解各部分的电路设计思路，引导学生进行设计。例如，对于多功能抢答器的综合实验，我们将电路功能分解为输入信号接入电路、按键开关的数码显示电路、时钟信号发生器、后续抢答封锁电路、计分电路、倒计时电路和抢答鸣响电路，然后运用启发式教学方法，分别引导学生对各部分的电路原理进行理解和思考，按照各个击破的原则，分别完成各部分电路的设计，然后再汇总为总电路，实现实验计划中的所有功能。启发式教学不仅可以将复杂的电路设计问题分解为多个相对简单的电路设计问题，引导学生独立思考、自主探究，还可以增强学生们的学习信心和兴趣。

3.4 加强自主学习和自主实验资源建设

为了方便学生进行自主学习和自主实验，课程组在原有教学资源的基础上，设计新的教学内容、教学安排、教学方法和考核方式，建设了完善的自主学习与自主实验的教学资源，且使用方便。编写了教材《数字逻辑与计算机硬件基础》，教材包含理论知识和实验项目两部分内容，即将由清华大学出版社出版；制作了完善的视频资源，如：扫描实验资料中的二维码可以观看原理讲解、设计讲解、制作讲解、Proteus仿真软件使用讲解、万用表使用讲解等。教材视频、课件、习题库等丰富的课后学习资源使学生学习自主性加大。学生每人一台自制便携式实验箱，结合上述学习资源，可以不受时间、场地的限制开展仿真和实物实验，大大提高了学生的学习兴趣，增加学生的工程实践能力，同时加深了理论知识的理解。通过实验，“学”“做”并行，“学”“考”并行，间接引导了学生对理论知识的理解，提升了学生解决复杂问题的能力。

3.5 期末综合实验考核方式改革

因期末综合实验权重较大，为了考核的科学性和可执行性，防止代做现象及引导学生“做中学”，期末综合实验除了考核上交仿真作品、实物作品和实验报告外，对综合实验按照3人一组进行了分组，还设置了实验答辩考核环节。若采用一对一答辩考核，教师工作量太大，而且每个学生被提问的问题不一样，提问的题量也不一样，提问和评分随机性较大，考核不科学不公平。为减少教师工作量，使答辩工作切实可行，并减少答辩提问的随机性，课程组精心设计了笔试答辩题库，从题库中抽题进行笔试答辩考核。其中，答辩原理图1张，答辩题库共50套题，每套4题，每套题虽然题目不同，但是考核知识点相同，难度相同。笔试答辩主要考察学生对期末实验设计原理的理解程度，答辩题库不对学生公开。答辩考试20min，每人随机抽一套题作答。与此同时，本课程教学还给学生出了一道课程范围之外的编程题（编程实现逻辑函数的化简），完成后综合成绩加3分，开展了将程序设计和本课程知识相结合的实践活动。

综上，如表2所示，改革后的期末综合实验考核主要包括四种考核方式：通过仿真作品（20%权重）考核学生的设计能力及仿真技术；通过实物作品（40%权重）考核学生的动手实践能力；通过实验报告（20%权重）考核学生的科技写作能力；通过笔试答辩（15%权重）考核学生对实验原理的理解程度和解决具体问题的能力；通过小组成绩（5%权重）考核学生沟通交流和团队协作能力。

表2 综合实验成绩评定方法

通过科学考核导向下的实验学习，使学生在知识、技能、素质三方面得到全面提升。图2是学生在口袋实验箱上完成的实物实验。实践表明，改革后的实验考核方法科学更加合理，较准确反应学生实验水平；考核方法不仅充分考虑了实施的工作量和可行性，还能引导、驱动、督促学生实验学习；通过深化理论学习，加强工程实践能力，提高学生学习兴趣，提高自主学习能力，使知识、能力、技能同步得到提升。近三年，课程组设计的课程单元“多功能抢答器设计与制作”获全国高等院校计算机类专业教学能力大赛二等奖；指导的学生获得了“挑战杯”广东大学生创业大赛大学生创业计划竞赛金奖，“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛一等奖，“蓝桥杯”全国软件和信息技术专业人才大赛国赛一等奖等奖项，教学改革初见成效。

图2 学生在口袋实验箱上完成的实验作品

4 结语

综上所述，本文通过总结“数字系统综合设计”专业课程教学中存在的一些不足，从教学内容、教学方式、实验资源和考核方式等方面，探讨了该课程教学改革的思路和方法。结合本课程实验项目内容，课程组开发了口袋实验箱，口袋实验箱具有“小身材，大能量，开源性”的优点，学生每人一套，无论何时何地，学生都可以开展实验和二次开发，增强学生积极性和创新性。实践表明，改革后的教学模式有助于增强实验的灵活性，引导学生独立思考、自主探究，锻炼学生的创新思维和工程意识；全方位的提升学生的设计能力、动手能力、写作能力和对实验原理的理解程度，能够激发学生的学习兴趣，增强学生的学习主动性，培养学生分析问题与解决问题的能力，提升学生的逻辑思维能力和动手能力。