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摘要：常規(guī)的數(shù)字電路課程實驗教學多以驗證性實驗為主，學生的創(chuàng)新能力很難被激發(fā)。為培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，增加課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)，設(shè)置以學生為主體的實踐項目。通過設(shè)計、仿真、實物制作、撰寫報告、答辯驗收等實踐環(huán)節(jié)，學生鞏固了課堂所學的理論知識，培養(yǎng)了探索創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路課程；課程設(shè)計；實踐環(huán)節(jié)；“學生中心”；能力培養(yǎng)

數(shù)字電路是電子信息類專業(yè)的學科基礎(chǔ)課，可以為單片機原理及應用和數(shù)字集成電路設(shè)計等后續(xù)課程的學習奠定基礎(chǔ)，在整個專業(yè)課程體系中占有重要地位[1]。該課程由理論教學和實驗教學兩部分組成。理論教學主要涉及組合邏輯電路、時序邏輯電路、脈沖單元電路三個知識點，實驗教學是理論教學的輔助。常規(guī)的數(shù)字電路實驗教學一般使用集成電路套件或?qū)嶒炏洌瑢W生按照實驗手冊搭建電路，完成數(shù)據(jù)測量并進行結(jié)果分析。此類實驗多屬于驗證性實驗，以驗證電路功能為目的，實驗項目單一，很難激發(fā)學生的學習興趣，難以進一步提升學生的設(shè)計能力和創(chuàng)新能力[1]。因此，通過增加綜合設(shè)計性實踐課程，即課程設(shè)計，搭建理論知識與實際工程設(shè)計之間的橋梁，這對于完善現(xiàn)有課程體系、調(diào)動學生的積極性、培養(yǎng)學生的自主學習能力、促進學生的創(chuàng)新能力和綜合能力提升具有十分重要的意義[2]。

1數(shù)字電路課程設(shè)計選題

數(shù)字電路課程設(shè)計的選題應將理論知識和系統(tǒng)設(shè)計融為一體，把數(shù)字電路的核心知識點最大限度地綜合在一起[3]。選題應具有一定的實用性、可擴展性、實現(xiàn)方案多樣性等特點，如數(shù)碼管循環(huán)顯示電路、多路數(shù)顯報警器、汽車尾燈控制電路、多路搶答器設(shè)計等，可以讓學生在課程設(shè)計實踐過程中充分發(fā)揮探索創(chuàng)新精神。以數(shù)碼管循環(huán)顯示電路為例。該設(shè)計要求實現(xiàn)數(shù)碼管循環(huán)顯示數(shù)字，同時點亮相應的彩燈。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)框圖中的四個模塊最大限度地將數(shù)字電路的三個主要知識點：組合邏輯電路、時序邏輯電路和脈沖單元電路融合在一起。模塊1振蕩電路(屬于脈沖單元電路)可以輸出頻率可調(diào)的脈沖波；模塊2循環(huán)計數(shù)分頻電路(屬于時序邏輯電路)用于計數(shù)分頻且分頻值可調(diào)；模塊3譯碼顯示電路(屬于組合邏輯電路)驅(qū)動數(shù)碼管顯示相應數(shù)字；模塊4彩燈循環(huán)顯示電路實現(xiàn)LED燈循環(huán)點亮。圖2是參考電路原理圖。在圖2所示電路中，模塊1使用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖波，通過調(diào)整R1、R2、C2的參數(shù)值，獲得不同頻率的輸出波；模塊2使用四位二進制計數(shù)器(如74LS161)進行計數(shù)，實現(xiàn)五分頻；模塊3使用譯碼顯示驅(qū)動模塊(如74LS47)譯碼驅(qū)動共陽數(shù)碼管顯示數(shù)字；模塊4使用譯碼器(如3/8線譯碼器74LS138)驅(qū)動LED燈循環(huán)點亮。在實踐過程中，每個模塊都有多種不同的實現(xiàn)方案，學生可自主選擇，有能力的學生還可以進行電路功能的擴展。

2實踐教學方法和手段

數(shù)字電路課程設(shè)計要求學生完成方案論證及器件選取、電路仿真驗證、實物制作及調(diào)試、報告撰寫及測試答辯。因此，其采用的教學方法和手段不同于實驗課。教師在學生進行課程設(shè)計的前、中、后期，分別有針對性地安排三次指導。前期準備階段，主要講述電路設(shè)計的一般方法，明確設(shè)計的規(guī)范性、單元模塊間的接口方式與參數(shù)要求、仿真軟件的使用、元器件的選取原則，并對各單元模塊原理分析及實現(xiàn)方案進行必要的引導；課程設(shè)計中后期階段，教師的指導側(cè)重于強調(diào)實物制作及調(diào)試過程中的注意事項，如焊接的技巧，工作電壓、芯片引腳的連接及測試，電路工作的穩(wěn)定性與可靠性等。在教師指導下，學生依據(jù)設(shè)計要求，自主選擇時間及設(shè)計方案，逐項完成設(shè)計內(nèi)容。一是項目方案論證及器件選取。學生依據(jù)自己對課堂相關(guān)知識點的熟悉和理解，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源，選取不同的設(shè)計方案實現(xiàn)各模塊功能。同時，學生通過查閱資料及手冊，熟悉常用電子器件及芯片的功能和使用方法，并根據(jù)自己的設(shè)計方案選擇合適的芯片和元器件。二是電路仿真驗證。學生使用EDA仿真軟件Multisim或Proteus等搭建設(shè)計好的電路，并利用軟件中的虛擬儀器對電路進行測量和仿真驗證。依據(jù)理論公式，反復調(diào)試電路參數(shù)或更換元器件，進一步完善電路設(shè)計方案，從理論上驗證設(shè)計方案的可行性[4]。三是硬件制作及調(diào)試。學生根據(jù)仿真電路列出硬件制作所需的元器件清單，學校統(tǒng)一購買后，學生自己動手進行電子線路布線、焊接及調(diào)試。學生通過使用直流電源、信號發(fā)生器、示波器、萬用表等電子儀器，熟悉儀器的使用及電子線路的測試方法，培養(yǎng)獨立排除故障的能力，提升工程實踐能力。四是報告撰寫及答辯。學生根據(jù)規(guī)范要求撰寫設(shè)計報告。設(shè)計報告的內(nèi)容包括：設(shè)計的目的及任務(wù)、設(shè)計方案與論證、設(shè)計電路與功能說明、電路仿真及驗證、硬件制作及調(diào)試、設(shè)計總結(jié)及參考文獻。報告的撰寫能培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、踏實細致的工作作風。答辯環(huán)節(jié)，學生進行實物演示，陳述設(shè)計方案及設(shè)計過程，同時回答教師的提問。通過答辯，培養(yǎng)學生使用專業(yè)術(shù)語表達工程問題的能力。

3實踐教學效果及持續(xù)改進

數(shù)字電路課程設(shè)計最終要求學生用洞洞板或腐蝕電路板完成實物制作，且預留測試端子，用于答辯驗收。我校電子信息類專業(yè)大二學生在完成數(shù)字電路理論課學習后，進行數(shù)字電路課程設(shè)計，學生制作的硬件實物及測試結(jié)果如圖3、圖4所示。通過實測及答辯，可以看出每個學生所采用的設(shè)計方案、選擇的元器件、電路的布線布局、焊接的效果均有所不同，學生在實踐過程中各方面能力均得到了有效鍛煉和提升，同時避免了相互抄襲的現(xiàn)象。圖3硬件實物圖圖4實物測試效果圖學生按要求撰寫設(shè)計報告，并在報告的總結(jié)部分講述了自己整個項目的實踐過程及體會，分享了設(shè)計經(jīng)驗、實物制作心得及成功后的喜悅，提升了自信心，這樣的教學方式充分體現(xiàn)了“學生中心、成果導向”的工程教育理念。隨著課程實踐教學的深入開展，教師不斷總結(jié)經(jīng)驗，收集整理學生的反饋意見，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合實際情況修改實踐題目的內(nèi)容及要求，同時調(diào)整教學方式、進度安排、成績評定標準等，使得數(shù)字電路課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)的各方面安排更加恰當合理，切實實現(xiàn)“以實踐促教學，育有用人才”。

4結(jié)語

數(shù)字電路課程常規(guī)的實驗教學內(nèi)容和方式比較單一，通過增加課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)，選擇合適的綜合設(shè)計性實踐題目，使學生親身經(jīng)歷從自選方案設(shè)計電路，到實物制作答辯演示的整個設(shè)計過程。學生通過實踐操作，調(diào)動起學習的積極性，鞏固了課堂所學的理論知識，激發(fā)了對學習的熱愛和興趣，提高了文獻資料閱讀能力、分析解決問題能力、歸納總結(jié)能力及溝通協(xié)作能力，培養(yǎng)了自主學習和終身學習意識，綜合素質(zhì)得到全面提升。

參考文獻

[1]羅霞,羅闊,李震.新工科背景下專業(yè)創(chuàng)新實踐大平臺研究與探索[J].中國教育技術(shù)裝備,2020,(19):126-130.

[2]張慶順,劉鑫.新工科背景下的數(shù)字電路課程設(shè)計創(chuàng)新與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2020(6):64-65.

[3]梁麗.數(shù)字電子技術(shù)課程實踐教學的改革與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2018(10):19-21.

[4]孫洪穎,李緯華,楊永.基于應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的電子技術(shù)課程設(shè)計改革[J].電子世界,2018,(24):30-31.

作者：郭映 張祖鋒 單位：天津理工大學集成電路科學與工程學院 天津理工大學電氣工程與自動化學院