贯穿式层次化数字电子技术实验教学模式建设.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 4 期 2023 年 8 月Vol.26 No.4 Aug.2023 贯穿式层次化数字电子技术实验教学模式建设张 敏,井 岩,戴伏生(哈尔滨工业大学(威海)信息科学与工程学院,山东 威海 264209)摘 要:提出了对数字电子技术实验进行贯穿化、层次化教学模式的改革方法。贯穿化指软硬件贯穿、课程体系之间贯穿、课程内部的承上启下、软件之间贯穿、硬件之间贯穿、课堂内外的贯穿等多种资源融合教学。层次化指演示验证、设计、综合、创新等 4 个层次的实验来满足不同学生的需求。经过贯穿式、层次化的教学改革来解决学生中普遍存在的创新能力弱、工程实践能力差、自主学习意识不足等问题,提升了学生的综合能力。关键词:贯穿式;创新能力;工程实践;自主学习中图分类号:G426 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.04.027Construction of throughout and hierarchical teaching mode for digital electronic technology experimentZHANG Min,JING Yan,DAI Fusheng(College of Information Science and Engineering,Harbin Institute of Technology(Weihai),Weihai 264209,China)Abstract:Reform method of a throughout and hierarchical teaching mode for digital electronic tech-nology experiment is improved.The throughout means the integration of multiple teaching resources,and running through between the software and hardware,the curriculum system,the internal connect-ing link of the curriculum,multi software,multi hardware,and inside and outside the classroom.The hierarchical teaching mode means that 4 levels of experiment,including demonstration and verification,designing,synthesization and innovations,will be adopted to satisfy the demands of different students.After introducing the reform method,the comprehensive ability of the students is hoped to be im-proved,by resolving the widespread poor ability of innovation and engineering practice and lack of awareness of autonomous learning among the students.Key words:throughout teaching mode;ability of innovation;engineering practice;autonomous learning 收稿日期:2021-03-15 修改日期:2022-08-20作者简介:张敏,硕士,高级工程师,从事数电、通信实验课教学工作。E-mail:1713602230 基金项目:2020 教 育 部 新 工 科 研 究 项 目(项 目 编 号:E-TMJZSLHY20202113);教育部自动化教指委,海洋自动化探测 技术的 新工科 模式建 设 项 目(项 目 编 号:202125);教育部电子信息教指委,海洋自动化探测技术的新工科模式建设项目(项目编号:21-JG-38);2020山东 省 教 育 厅 本 科 教 育 研 究 项 目(项 目 编 号:M2020317);2022 山东省教育厅本科教育重点研究项目(项目编号:IDEA10002111);2014 年哈尔滨工业大学(威海)教研项目(项目编号:ITDA-10002102);2021 年哈工大研究生教学改革项目(项目编号:67)。目前在高等院校学生中普遍存在创造力不足、工程实践能力弱、自主学习意识差、眼高手低等问题。这些问题的根源在于学生没有形成专业知识体系且不能灵活运用;他们不能使用各种软件、仪器,不能设计电路、编程、数据分析;没有养成主动搜集资料进行学习的习惯。“数字电子技术实验”作为实践课程改革的原因有 3 点:(1)“数字电子技术实验”是核心骨干课程并且授课范围非常广;(2)“数字电子技术实验”对很多专业来说属于基础衔接课程。这样的课程非常有利于帮助学生建立课程体系,起到承上启下的张敏,等:贯穿式层次化数字电子技术实验教学模式建设作用;(3)“数字电子技术实验”课程强调实践与理论的结合。通过对“数字电子技术实验”教学的贯穿式、层次化教学模式改革来激发学生的求知欲望、帮助学生理解专业知识之间的联系,促使他们形成专业知识体系、让学生喜欢去动手实践;最终培养了学生创新意识、知识的体系化和自主学习的品质。1 贯穿式、层次化的改进方案贯穿式、层次化数字电子技术实验教学模式改革分为四个部分进行实施:数字电子技术实验问题分析、实验内容设计与规划、实验室设备与设施、管理与运作。方案组成如图 1 所示。图 1 贯穿式数字电电子技术实验教学改革方案的组成2 当前实验存在问题分析2.1 实验内容比较单一,实验难度没有层次化如果实验内容仅仅是针对数字电路本身,没有联系应用背景,学生就无法理解数字电路在整个专业知识体系中起到的作用,理解数字电子技术和其它课程之间的内在联系,这样也就很难为后续课程的学习起到引领作用。没有将多门课程融合教学的实验,就不能培养学生的实践能力和创新能力。不同学生实际的水平和需求不一样,难度没有层次化,学生很难得到真正的提高。2.2 教学条件不能满足培养要求“数字电子技术实验”教学往往在实验箱上采用分立元件搭接电路方式,或者采用 EDA 实验箱方式。分立元件搭接电路方式已经落后于实际的生产实践,并且由于实际器件、导线连接等原因,无法完成复杂的电路搭建,实验内容只能局限于验证性实验。采用 EDA 实验箱的数字电子技术实验教学模式无法让学生理解实际实验内容和数字电子技术课程知识点的真正联系。因此,最好能够结合仿真、设计、调试、数据分析的实际工程实践过程,建立能够实现软件与软件、软件与硬件、硬件与硬件之间互相联系、进行贯穿融合的实验条件1。2.3 实验管理制度缺陷实验室对真正需要提高的学生没有开放,实验考核制度不能激发学生自主学习热情。学生自主创新受到元器件、仪器设备的硬件条件限制而无法进行,这样学生主观能力得不到发挥,不利于学生潜能的发挥和创新能力的培养。3 实验内容规划与设计采用了 6 种贯穿模式、4 种难度的教学方式。3.1 六种贯穿式模式3.1.1 按照专业的课程体系之间贯穿 如图 2 所示,以“数字电子技术”课程不同知识点为教学核心,结合不同专业的其他课程知识点,联系数字电子技术知识点和其他课程知识点,找出数字电子技术在不同专业背景下的应用,根据这些应用设计具有专业特色的数字电子技术实验。这样学生做这些实验后,既能理解数字电子技术知识点在专业知识体系中的作用,又能让他们在以后专业课程学习中真正去使用数字电子技术知识点进行专业设计。3.1.2 课程内容贯穿如图 2 所示,将数字电子技术实验课程内部不同知识点分析梳理,找到它们之间的内在联系,采用组合的方式,进行实验内容设计。这样能加深学生对课本知识的理解。图 2 数字电子实验课程知识点之间贯穿3.1.3 软硬件贯穿模式该方法结合生产实践中贯穿设计、仿真、调试、数据处理等实际过程,如图 3 所示。将软件与软件、软件与硬件、硬件与硬件之间联系起来。实现仿真到实践、实践到仿真的教学模式。3.1.4 软件之间贯穿实现 QUARTUS II、MUTISIM、MODELSIM、PRO-TUES、LABVIEW 等软件与数字电子技术实验知识点相互穿插教学。901图 3 数字电子技术实验课程体系贯穿3.1.5 硬件之间贯穿数字电子实验箱属于自主研发产品,且实验箱更换不同的核心板后,能进行不同功能的教学。可选择对 ALTERA 和 XLINIX 公司 FPGA 的教学。并且开发了很多扩充模块,这些模块将数字电子技术与传感器、单片机、模电等硬件内容相互穿插。这种方式为学生建立专业知识体系做硬件条件铺垫。3.1.6 课外与课内贯穿 主要通过研发口袋 EDA 电路板,采用实验前预习,同时配合相关实验室管理制度的方式来贯穿课堂内外。3.2 贯穿式教学应达到的效果如图 4 所示:(1)帮助学生建立知识体系,并且让学生灵活应用。具体方法为知识体系贯穿、课程内容贯穿;(2)为了让学生熟悉仪器、软件、电路设计、数据分析。具体方法为软件与软件、软件与硬件、硬件与硬件之间的贯穿;(3)为了帮助学生养成自主查找资料的习惯。具体方法为课堂内外的贯穿。上述三种效果都是为了达到培养学生创新意识、工程实践能力、自学习意识的最终目的。图 4 三种贯穿效果3.3 四种层次化方法介绍为了满足不同层次学生的需求,采用层次化教学方法2。如图 5 所示,把实验分为 4 个层次:演示验证性实验;设计性实验;综合应用类实验;科技创新类实验。针对学生的需求采用有针对性的教学,每个层次的难度逐渐增大。这种教学方法既能实现基本的教学要求,又能培养高水平、高层次的优秀学生。图 5 层次化的教学模式4 实验设备与设施4.1 建立配套的软硬件资源以 Quartus II 软件为开发环境,通过原理图或硬件描述语言来表示系统硬件的功能和行为进而完成电路的设计。实现 QUARTUS II、MUTISIM、MODEL-SIM、PROTUES、LABVIEW 等软件相互穿插。传感器、单片机、模电、等硬件相互穿插、软硬件一体化的贯穿式教学方法。研发、扩充与实验内容相配套的硬件模块,满足学生课外教学需求3-4。4.2 实验室资源的整合使用实验室根据实验内容需要的条件全面向广大学生开放,以实验内容决定需要什么实验条件和场地、而不是以物理空间作为隔阂,打破实践空间限制进行教学。目前计划整合的实验室如图 6 所示。图 6 实验室的整合式使用5 实验管理及运作5.1 贯穿化教学的管理制度建立实验室问题反馈制度的建立,在实验室教学和011 张敏,等:贯穿式层次化数字电子技术实验教学模式建设管理中及时发现各种问题,然后进行改进。这样能让实验室管理水平不断进步5-6。(1)实验预习制度的建立。让学生自己提前预习和复习实验前的内容,并且对预习的质量进行考核,成绩最终算入总成绩中,通过这种手段激励学生自主学习。(2)实验考核和评价体制的建立。实验室培养学生的动手能力,鼓励学生发现和解决问题。成绩评定既要根据学生实验做出的最终结果,同时也要关注实验的步骤和内容。因此要从下列步骤进行全方位的考核:预习效果:预习报告、预考核、相关知识。硬件实物效果:接线组装质量、合理性、可靠性。软件效果:系统框图分配的合理性、仿真的完备性、注释说明清楚。功能考核:实现效果、人机交互、功能多样化。指标考核:指标参数,其他创新性设计。学习效果:学生解答问题的水平,掌握开发过程的程度。实验数据的处理:能否利用 EX-CEL 或 MATLAB 进行数据分析和统计。对实现效果优异和未实现功能实验结果,要总结和分析原因。实验报告的书写:按照报告模板书写,具有规范性和完整性 7-9。5.2 实验室的运作模式实验室的运作模式包括 1 套管理制度、2 种教学套路、3 个教学方法、4 种教学层次10。1 套管理制度。以开放实验室管理系统为核心,形成开放式教学制度。2 种教学套路。包括基础教学模式和创新模式两种6,如图7 所示,其中基础实验模式面向所有的学生,创新模式面向学有余力的学生。图 7 数字电子技术 2 种教学方法3 种教学方法。电路实物连接测试的教学方法;EDA 数字电子电路教学方法;电子工艺创新的教学方法。4 种教学层次。演示验证实验;设计性实验;综合应用类实验;创新性实验。6 结语该教学方法以如何设置“数字电子技术实验”的课程内容才能最大程度地培养学生的实践水平而展开。(1)层次化的实验内容构建、自主开放的实验管理模式,鼓励创新的实验考核方式,工程化、实践化的教学环节,多门课程实验综合应用,实现方法的多样性,采用启发式教学方法激励学生自主学习。(2)实验方法新颖、内容与社会需求一致,实验教学内容联系课本、实际授课、社会需求三个方面确定,实验通用性好,节约成本,该实验模式既可以进行硬件教学,也可以进行仿真教学。(3)实验内容采用贯穿式、层次化、弹性化教学,“数字电子技术实验”用到了 5 种软件和多种硬件,实验内容可进行选择。为了满足各种需求,实验分为四个层次:演示验证性实验、设计性实验、综合应用类实验、科技创新类实验。参考文献(References):1 王彩凤,胡波,李卫兵,等.EDA 技术在数字电子技术实验中的应用J.实验科学与技术,2011,9(1):4-6.2 王美玲,陶涛鑫君,江泽民,等.基于 PSoC 的数字电子技术教学改革探索J.实验室研究与探索,2014,33(8):162-165,189.3 苏玉萍.数字电子技术实验教学改革探析J.实验科学与技术,2013,11(3):81-83.4 宋维波,郭显久,姜凤娇.基于 Proteus 的数字电子技术课程教学方法研究J.课程教育研究,2012(19):23-24.5 万毅.数字电子技术实践教学评价体系和评价方法的研究J.实验科学与技术,2013,11(5):122-124,143.6 陈柳,戴璐平.“数字电子技术”课程教学改革研究与探索J.中国电力教育,2013(2):96-97.7 张敏,彭志远,陈泽南,等.多功能 74 系列芯片模拟器在数电实验教学中的应用J.实验技术与管理.2016,33(6):66-69.8 张敏,李昂,马秀娟,等.数字电子技术 EDA 实验教学平台的实现J.中国现代教育装备,2016(17):16-19.9 郝彦爽,林颖,韩守梅.基于 FPGA 的数字电子技术实验案例设计J.实验室科学,2021,24(3):101-104.10 张敏,王新生,麻志斌.开放实验室教与学方式的研究与探索以哈尔滨工业大学(威海)为例J.教育教学论坛,2020(37):385-386.111