李雙喜，王　磊，王　岳

(安徽科技學院 電氣與電子工程學院，安徽 蚌埠 233101)

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數字電子技術課程實踐能力強化研究*

李雙喜，王磊，王岳

(安徽科技學院 電氣與電子工程學院，安徽 蚌埠 233101)

摘要：數字電子技術作為電氣信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎課程，強化學生數字電子技術課程實踐能力的培養(yǎng)，對人才培養(yǎng)方案確定的培養(yǎng)目標實現以及學生的數字技術創(chuàng)新能力的形成都具有積極的意義。本文以安徽科技學院高水平應用型大學建設背景下的數字電子技術課程教學改革實踐經驗，闡述了強化學生數字電子技術實踐能力培養(yǎng)的措施與方法。

關鍵詞：數字電子技術；實踐能力；實驗教學；應用型高水平大學

數字電子技術作為電氣信息類專業(yè)一門實踐性突出的技術基礎課程，強化學生數字技術實踐能力的培養(yǎng)，對課程教學目標的實現具有重要的作用。扎實的數字電子技術實踐能力與創(chuàng)新能力也是后續(xù)專業(yè)課程學習的重要支撐，是學生實現現代數字技術運用與創(chuàng)新的基本保證[1]。

本文結合安徽科技學院2010、2013、2015版電氣信息類專業(yè)人才培養(yǎng)方案的改革與高水平應用型大學建設的數字電子技術課程教學實踐，探討了我校電氣信息類專業(yè)數字電子技術實踐能力培養(yǎng)的改革措施與方法[1]。

1拓展實踐環(huán)節(jié)、漸進式培養(yǎng)實踐能力

1.1傳統數電實踐環(huán)節(jié)存在的問題

傳統的數字電子技術實踐教學環(huán)節(jié)主要由“課程實驗”、“課程設計”兩個主要環(huán)節(jié)構成。其中課程實驗主要是驗證數字邏輯信號電平關系、邏輯門、中小規(guī)模組合邏輯集成電路、時序邏輯電路的邏輯功能以及時序特征，具體的進程安排一般是配合課程的章節(jié)教學進程實施，起到理論聯系實際、增強感性認識的作用，達到掌握數字信號特征、邏輯芯片功能以及初步運用的基礎實踐能力。而專門設置的數字電子技術課程設計則是以一定規(guī)模的綜合性的數字電子技術課題為研究對象，達到綜合運用各種邏輯關系以及選擇不同邏輯功能的芯片實現特定功能的數字單元或小型數字系統為訓練目的。

僅僅依靠“課程實驗”、“課程設計”兩個基本環(huán)節(jié)實施，實踐中我們認為存在以下問題：

1) 由于實施“平臺+模塊”模式的人才培養(yǎng)方案的實施、專業(yè)基礎課程的學時都有一定的壓縮，課程實驗環(huán)節(jié)的學時也相應的縮減。

2) 由于開設的實驗的數量和實驗項目學時的限制，難以將數字電子技術常見芯片的應用進行深入運用，影響了學生對數字電子技術器件綜合運用能力的提升。

3) 鑒于學校對課程實踐教學的經費劃撥是根據實驗項目的數量、實踐教學的周數、班級數進行核定，因此僅僅依賴這兩個環(huán)節(jié)，實踐教學的材料采購基數往往不能夠滿足實際需要。從而限制了創(chuàng)新性實驗與項目的規(guī)模、復雜程度的提升，限制了實踐教學效果的提升。

4) 由于平行班級學生數的增加，且實驗、實踐指導教師數量以及教學工作量計算方法的限制，實驗課程和課程設計環(huán)節(jié)的開展往往采取大班進行，因此限制了學生與教師的實踐互動交流的時間以及實踐效果。

5) 由于只有兩個實踐環(huán)節(jié)支撐學生數字電子技術實踐能力的培養(yǎng)，限制了學生數字電子技術實踐能力訓練向綜合化、創(chuàng)新化、深度化方向強化。

1.2優(yōu)化數電實踐環(huán)節(jié)，強化實踐效果

為克服傳統的數字電子技術實踐教學環(huán)節(jié)所帶來的“實踐學時不足”、“師生實踐互動交流不充分”、“實踐教學經費有限”、“循序漸進性不足”、“實踐教學項目技術復雜性低”、“器件類型限制”等實際缺陷，優(yōu)化數字電子技術課程實踐教學環(huán)節(jié)，推進循序漸進模式訓練，實行課程實驗、課程綜合設計、電子工藝實踐、專業(yè)綜合實踐、專業(yè)技能訓練層次遞進模式進行，配合課外競賽以及科技活動等方式不間斷推進強化，可以有效解決數字電子技術實踐能力培養(yǎng)存在的弊端。表1所示是我校電氣信息類專業(yè)與數字電子技術實踐能力培養(yǎng)密切相關的實踐教學環(huán)節(jié)。

表1　安徽科技學院電氣信息類各專業(yè)數字電子技術實踐環(huán)節(jié)

2案例驅動，增強興趣，強化理實結合

興趣是最好的老師，數字電子技術傳統實驗項目設置從門電路的特性測試開始按照各章節(jié)的理論內容進行設置，各部分的內容相互獨立，缺少在數字系統環(huán)境下的數字電路功能與價值體現，而課程設計由于多方面的實際原因，課程設計的項目技術復雜性也不能向深度引入。從而限制了學生對數字電子技術實踐的興趣。

2.1科學設置案例，提升自主實踐的積極性

“交通燈”、“數字時鐘”、“競賽計時器”、“慶典倒計時牌”、“LED點陣廣告牌”、“數字顯示終端”、“搶答器”、“計算機鍵盤”、“電子電壓表”、“數字血壓表”、“轉速表”等等這些數字裝置設備都是同學們日常生活中經常見識的，思考為什么靠數字電子技術能夠實現這些，是每個學生剛接觸數字電子技術都會想自己動手嘗試實現的。

因此數字電子技術實踐環(huán)節(jié)案例的選取應遵循：

1) 案例能夠體現典型的數字技術運用，為大家所熟悉；

2) 案例對器件的要求以案例功能模塊的實現為導向，充分圍繞所選即為所用；

3) 案例設置的技術復雜性遵循漸進方式，由易到難，逐步提升學生實踐成功的信心；

4) 案例設置遵循層次性，體現數字器件、數字功能單元、數字小系統到復雜系統的延伸應用，不斷強化典型數字功能單元在復雜系統中的運用，增強學生在實踐中對復雜數字系統的解剖、分析、設計能力。

2.2激發(fā)實踐好奇心，強化解決問題的能力

例如：隨著工業(yè)技術的不斷進步，在自動化控制、精密機械加工、航空航天技術以及所有要求高精度定位、自動記錄、自動瞄準等高新技術領域內，步進電機得利了廣泛的應用。

步進電機是一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件，每當輸入一個電脈沖時，它便轉過一個固定的機械角度，脈沖一個一個地輸入，電動機便一步一步地轉動。它具有快速啟停、精確步進、誤差不會長期積累以及能直接接收數字信號的特點，在數字控制系統中得到了廣泛的應用[2]。

圖1就是利用最常見的移位寄存器74LS194構成一種環(huán)形計數器，在移位控制信號的作用下可以按照有效循環(huán)0001-0010-0100-1000工作，電機正轉；按照0001-0100-0010-0001工作，電機反轉。將移位寄存器的并行輸出送到步進電機的功率驅動電路就可以直接驅動電機工作了。

圖1　74LS194實現四相單拍步進電機驅動脈沖分配驅動電路

再比如在通信系統中常常需要頻率穩(wěn)定度極高的頻率源來使用，在實際工作中可以通過PLL技術獲得高穩(wěn)定度的頻率信號。圖2使用數字PLL芯片CD4046，通過74LS90完成N分頻，74LS191完成M分頻。

圖2　計數器作為分頻器使用

因此通過與技術緊密結合的方式將數字電子技術的運用在工程實踐上的靈活運用展現在學生面前，促進學生分析問題、解決問題，使學生的創(chuàng)造能夠落地生根并加以實現。同時能夠有效引領學生工程實踐能力的好奇心，強化解決問題的能力。

3仿真與項目訓練并舉，完善實踐手段

學生數字電子技術實踐能力的提升需要獲取一定的實踐經驗作為基礎，因此改革數字電子技術實踐手段是十分重要的。目前良好的數字技術的仿真平臺為數字電子技術實踐能力的培養(yǎng)提供了不可或缺的技術保障，但是單純的仿真手段在實踐上對全面提升學生數字電子技術實踐能力還是存在先天性的不足。我們認為仿真技術與項目工程實際訓練并舉能夠進一步有效強化學生的數字電子技術的綜合實踐能力[3]。

3.1以仿真為輔，強化驗證與推斷

隨著計算機仿真技術的發(fā)展以及數字開發(fā)技術的進步，目前用于數字電子技術仿真的軟件很多，常見的如EWB、Multisum、Proteus、QuartusII、Altium designer等等都可以作為數字電子技術的仿真實踐平臺運用。

虛擬的仿真平臺具有與真實的環(huán)境相似的場景，如EWB(電子工作臺)軟件以及后續(xù)版本Multisum都具有工作臺環(huán)境，布置有需要使用的虛擬儀器和電子器件，使初學者具有臨場的體會。在虛擬環(huán)境中不存在器件的配置受限、實際損失產生等缺陷，即使失敗可以從頭再來，直至達到理想的設計、工作效果。仿真過程中參數的調整、器件故障的設置、電路工作狀態(tài)的分析等等都十分方便。

更專業(yè)的數字電子技術仿真平臺可以實現對數字系統的性能深入分析、提供參數優(yōu)化與分析、設計代碼編譯、綜合與實配、下載等實際功能。可以有效幫助學習者在課題、項目的設計階段完善設計效果，強化數字電子技術實踐對理論正確性的驗證與推斷。

3.2仿真技術與工程訓練并舉，相得益彰

任何仿真工具的工作都是基于計算機算法實現的，與真正器件在組成電路時存在的器件個體差異、電子線路工藝水平、器件參數差異、驅動能力、功率損耗等等方面的實際情況是無法仿真實現的，因此真正的數字電子技術實踐經驗和能力必須依靠一定強度和范圍的實際操作強化才能得到有效提升。在強化學生課程實踐能力方面，實實在在的面對項目、課題以及案例進行實際操作訓練是必要的，仿真手段在實踐教學實施過程中只能作為輔助手段加以靈活運用和補充。

鑒于數字電路從20世紀的中、小規(guī)模集成電路的運用進入到CPLD(復雜可編程)、FPGA(現場可編程)環(huán)境，技術含量高、系統結構規(guī)模大的數字單元或系統在CPLD/FPGA開發(fā)版上易于實現，輔助其他的傳感器模塊、顯示器件、電源模塊、執(zhí)行器等等可以方便地根據項目的實際需要進行真實的數字電子系統實踐訓練，從而強化學生實踐能力的提升，經驗的總結與豐富。

根據教學實踐我們的經驗是：

第一：設置以中、小規(guī)模數字集成電路為器件的數字系統(產品)作為先導，夯實以“搭積木”手段開發(fā)數字電子技術的實踐能力。實踐選取以常見的數字產品為基礎。采用全數字的方法完成。經過這樣的項目訓練，可以有效使學生熟悉器件的性能、邏輯功能、正確使用、參數選型、電路測試、電子工藝以及熱設計等方面的知識。

第二：以EWB、Multisum、Proteus、QuartusII、Altium designer等仿真工具作為輔助手段，可以充分利用大學生的課程課外學習、課外活動以及科技創(chuàng)新、專業(yè)競賽等環(huán)節(jié)強化對數字電子技術實踐能力的鞏固。由于不涉及具體的實物器件的消耗，學生設計、訓練的自由度高，有創(chuàng)意、有項目、有思路就可以不受實驗室條件的限制進行實踐。

第三：以現代數字系統的設計作為數字電子技術實踐能力的核心，運用UP-DOWN或BOTTOM-TOP的設計方法，結合數字系統開發(fā)板進行復雜的實際工程項目開發(fā)訓練，從而強化學生作為工程師在數字電子技術實踐能力方面的培養(yǎng)。

4結論

隨著數字電子芯片的發(fā)展以及數字開發(fā)手段的進步，不斷優(yōu)化數字電子技術實踐教學環(huán)節(jié)、優(yōu)化實踐教學內容對推動應用型高水平大學建設背景下的數字電子技術課程教學將產生積極的意義，學生在學校獲得的數字電子技術實踐能力與企業(yè)對人才的能力與素質需求將真正對接得上。

參考文獻

[1]萬毅.數字電子技術實踐教學評價體系和評價方法的研究[J].實驗科學與技術,2013(5)：122-124.

[2]張雪平，李雙喜，張玉芝，等.數字電子技術[M].北京：清華大學出版社,2011.

[3]吳慶暢，高聯雄，趙波.提高數字電子技術實驗教學質量的分析[J].云南大學學報(自然科學版),2013(S1)：143-145.

收稿日期：2015-12-10

基金項目：安徽科技學院質量工程項目資助(XJ201222/X2014055/XJ201453)

作者簡介：李雙喜(1972- )，男，安徽懷寧人，副教授，研究方向：光電信息檢測與控制、高等教育教學管理與研究。

文章編號：1674- 4578(2016)02- 0075- 03

中圖分類號：G420；TN79

文獻標識碼：A

The Research on the Practice of Digital Electronic Technology Course

Li Shuangxi, Wang Lei, Wang Yue

(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,AnhuiScienceTechnologyUniversity,BenbuAnhui233101,China)

Abstract:Digital electronic technology is an important professional basic course for electrical information specialty; it has positive significance to the implementation of training objectives and the formation of the digital technology innovation ability by strengthening students’ ability of digital electronic technology curriculum practice. This paper expounds the measures and methods of strengthening student’s digital electronic technology and cultivating the ability of practice based on the experience of the teaching reform and construction in applied high level university.

Key words:digital electronic technology; practical ability; experiment teaching; applied high level university