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数字逻辑电路实验”课程教学改革与实践

2023-12-22 111 上传者：管理员

摘要：针对当前“数字逻辑电路实验”课程中存在的以教师为主、以验证性实验为主的状况，结合专业特点和学生发展的实际需求，对该课程进行教学改革，以“创新综合性”设计实验取代“基础验证性”实验，从传统的以教师为中心的教学模式改为以学生为中心的教学模式，并在设计的基础上增设电路制作部分，在考核评估机制中增加了创意分和难度分值的占比，更好地激发了每名学生的学习积极性，提升了学生对“数字逻辑电路实验”课程的学习兴趣，达到了预期的改革目的。

关键词：
以学生为中心
培养
教学模式改革
数字逻辑电路实验
综合性设计性实验
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为适应“新工科”建设的要求，加强学生创新能力和动手实践能力的培养，提高教学水平，在“数字逻辑电路实验”课程教学中推行了教学改革。“数字逻辑电路实验”课程是与“数字逻辑电路”理论课程相配套的实验必修课程，通过该实验课程的训练，旨在使学生掌握数字逻辑电路的设计方法及数字电路的调试与实现方法，为后续数字电路相关课程打下坚实基础。新的教学改革以创新综合性设计实验取代传统的基础验证性实验，从以教师为中心的教学模式改为以学生为中心的教学模式，并在电路设计的基础上增设电路制作部分，使学生不仅能设计电路，而且能制作出符合设计规范和功能要求的电路，大大提高了学生学习的积极性和主动性，锻炼了学生的动手实践能力和调试解决实际工程问题的能力。

1、课程概况与教改目的

原有的“数字逻辑电路实验”课程多以验证性实验为主，在课堂上主要以教师为中心，教师对实验方法和流程进行讲解，学生按照实验操作流程在实验板上进行连线操作。这种教师为中心式的课堂既不能激发学生的学习兴趣，又不能提升学生学习的主观能动性，学生被动学习，缺乏学习积极性，学生的自主创新能力、自主学习和探索能力及调试解决工程问题的能力都不能得到很好的锻炼。

实验内容包含通用门电路组合逻辑实验、加法器、译码器、代码转换函数实验、触发器与锁存器特性研究、集成计数器及移位寄存器的应用等，这些实验内容都是通过学生在电路板上插拔导线和短路片等完成的，学生对于如何自己设计制作出一个符合设计规范的电路往往没有概念。

实验教学中，学生都是统一的实验内容，在制订教学内容时有时会出现对于同样的题目，能力强的学生觉得内容简单，而动手能力相对弱的学生觉得难的现象，难以实现因材施教。

“数字逻辑电路实验”课程教改的目的是与“新工科”发展的要求相一致的，都是要培养创新型人才为目标，培养学生的创新能力和动手实践能力、调试解决问题的能力和团队协作能力。将以教师为中心的教学模式改为教师指导、以学生为中心，以学生选题为驱动的教学模式，让学生将所学理论知识和实践结合，掌握数字逻辑电路从设计到仿真、布线、制版、焊接制作、调试、排查故障、改良电路、完成目标等一系列能力。

2、教学改革的实践教学新方法

2.1 基础性验证型实验改为创新型综合性设计实验

新的教改方案将原有的在实验板上通过插拔导线完成的基础验证性实验改为学生自主选题、自主设计完成的综合性设计实验，以学生为中心，关注学生能力水平的差异，个性化的选题方案能让每名学生都参与进来，因材施教。

对于能力相对较弱的学生，完整地完成综合性设计实验有助于激发学生的兴趣，培养学生的自信，加深学生对“数字逻辑电路实验”内容的理解；对于能力相对较强的学生，在完成创新性实验选题的基础上，引导学生进行实验项目延伸，鼓励学生申请创新创业项目，帮助学生进一步提高动手实践能力、团队协作能力及创新能力，充分发挥学生的学习积极性与主观能动性。

2.2 增加电路设计后的电路制作部分

通过增加电路制作部分，学生能初步掌握“数字逻辑电路实验”课程中的布线工艺和焊接技术；不仅运用了电路设计的内容，而且锻炼了如何把自己设计的图纸变成实际电路的能力，在这个过程中也进一步掌握和巩固了所学知识。

2.3 规范化的实验过程管理

虽然对每个实验任务，学生可以自主选题、自主设计、自行选用芯片，但每个实验任务都需按照规范化的流程进行，实验步骤如下：(1)提交开题报告，给出设计选题及系统总体设计方案，给出卡诺图、逻辑表达式、画出系统原理框图，给出方案论证与比较。(2)进行电路仿真，在完成系统各模块的设计后，对系统总体设计进行仿真，在仿真波形和功能都正确实现后，进行硬件电路的制作。(3)模块化制作硬件电路，用PCB画图软件画出各模块电路的原理图和PCB板图，进行硬件电路的制板、焊接与功能调试。在各模块功能调试正常后，对整个系统进行联调，待所有功能都完成后，进行硬件电路的验收。(4)提交总结报告，采用统一的总结设计模板，要求语言准确规范，给出系统设计过程及测试波形和数据结果分析，并记录调试过程遇到的问题和实验心得体会。

2.4 完善考核评估机制

一个完善客观的考核评估机制能促进学生的学习和创新积极性，通过完善考核机制可以更为系统全面地反映学生的综合实践能力。原有的分数评定标准只考虑了操作过程和报告分数，学生按照教师给出的统一的题目和操作步骤进行实验，不能充分发挥学生的主观能动性，也不能很好地体现个性化的差异；新的考核评估机制如图1所示。新的分数评定标准更鼓励学生创新思维，使学生可以根据自己的能力水平自行设计实验，引入了难度分和创意分，使得分数的评定更加贴合每名学生设计实验的实际情况，更为公平公正；引入了工艺分，在一定程度上考查了学生的动手实践能力，让设计不只是停留在原理图阶段，而是通过动手实践使作品完整地呈现出来，让学生不仅会设计电路，也会动手焊接、调试电路。

图1 分数评定标准

2.5 实验教学改革成效

该教学改革已实施3个学期，目前在实践中进展顺利，通过学生的反馈和调整，取得了较好的教学效果。学生通过该实验课程使自己的能力得到了很大的锻炼和提高，在回访中，大多数学生表示创新综合性的自主选题相比于传统的验证性实验更能激发学生的学习兴趣，也更能锻炼学生的综合能力。学生结合当下时事设计选题，并完成原理图仿真、PCB画板和制板及系统联调，很好地锻炼了动手实践能力。此外，不少学生还对综合性选题进行了课外扩展，并参加了学校的大学生科创项目和电子设计竞赛等，取得了不俗的成绩。

3、结语

针对“数字逻辑电路实验”课程进行了以创新综合性设计实验取代验证性实验的教学改革，并在设计的基础上增设电路制作部分，在考核评估机制中也增设了创意、难度及工艺分的占比，更好地激发了每名学生的学习积极性。灵活性的选题结合规范化的流程，使学生不但掌握了课程基本理论知识的应用，而且提高了专业实践操作能力、排除故障能力及开拓创新能力，让学生在完成课程基础上进一步提升对“数字逻辑电路实验”课程的学习兴趣，达到了预期的改革目的。

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基金资助:2023年华东师范大学教学改革与研究项目“面向‘人工智能+新工科’卓越育人的系统综合设计与科创实践课程建设”(项目编号:2023HSJG027);

文章来源:张聪慧,邱崧.“数字逻辑电路实验”课程教学改革与实践[J].工业和信息化教育,2023(12):54-56.