馬學(xué)條

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程小班化虛擬仿真教學(xué)的探索

馬學(xué)條

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

針對數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及存在問題，結(jié)合杭州電子科技大學(xué)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際，對實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革進(jìn)行探索分析。數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程改革的核心內(nèi)容涵蓋三個(gè)方面：小班化教學(xué)、虛擬仿真教學(xué)、學(xué)科競賽。實(shí)踐表明，該教學(xué)改革在培養(yǎng)學(xué)生分析解決實(shí)際問題的創(chuàng)新實(shí)踐能力等方面取得良好的教學(xué)效果，為同類課程改革的推廣提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

虛擬仿真；小班化教學(xué)；數(shù)字電路；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)在數(shù)字電路教學(xué)中占有非常重要的地位，可以加強(qiáng)學(xué)生對理論知識(shí)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)和實(shí)際動(dòng)手能力。過去幾十年中，數(shù)字電子技術(shù)日新月異，不斷進(jìn)步發(fā)展；但難以樂觀的是多數(shù)高校數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程所對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酵磺啊ａ槍鹘y(tǒng)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的局限性，國內(nèi)外各大高校都進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。東南大學(xué)在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中引入虛擬仿真教學(xué)，電子科技大學(xué)采用小班研討的模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，北京郵電大學(xué)采用自主開發(fā)的教學(xué)平臺(tái)對數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真教學(xué)，美國斯坦福大學(xué)本科一年級學(xué)生就能完成基于數(shù)十萬邏輯門規(guī)模的數(shù)字邏輯自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目[1]。

作為浙江省最早開設(shè)數(shù)字電路課程的學(xué)校之一，杭州電子科技大學(xué)高度重視并積極推進(jìn)該課程的教學(xué)研究工作。數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室通過自主編寫實(shí)驗(yàn)講義、自主研發(fā)硬件工作平臺(tái)、以及借助我校國家級電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的在線教學(xué)及虛擬仿真支持平臺(tái)，在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中試點(diǎn)開展小班化虛擬仿真教學(xué)研究工作。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)上密切結(jié)合學(xué)科競賽內(nèi)容，著重基礎(chǔ)、注重前沿，在培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)溝通、思維創(chuàng)新、工程設(shè)計(jì)能力方面均取得良好的教學(xué)效果[2]。

一、“3+4+1”模式實(shí)驗(yàn)安排

目前，傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室仍采用數(shù)字電路邏輯實(shí)驗(yàn)箱開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，圍繞74系列芯片進(jìn)行內(nèi)容設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目固定，缺乏靈活性，不能發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和獨(dú)創(chuàng)性。經(jīng)過不斷的改革和完善，我校數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排為“3+4+1”模式[3]?！?”指學(xué)生在數(shù)字電路邏輯實(shí)驗(yàn)箱上完成3次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)逐步過渡到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容包括TTL集成門電路測試、數(shù)據(jù)選擇器的應(yīng)用、觸發(fā)器及計(jì)數(shù)器的應(yīng)用，旨在加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)?！?”指針對數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)箱上難以開展的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生完成4次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，逐步提升實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的廣度和深度?！?”指以數(shù)字系統(tǒng)自動(dòng)化綜合設(shè)計(jì)的形式完成1次研究探索性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生對實(shí)際問題的研究探索能力。具體安排體如下[4]。

1.TTL集成門電路測試與三態(tài)門(實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)) 3學(xué)時(shí)

2.譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器的應(yīng)用(實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)) 3學(xué)時(shí)

3.觸發(fā)器與計(jì)數(shù)器的應(yīng)用(實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)) 3學(xué)時(shí)

4.組合電路的自動(dòng)化設(shè)計(jì)一(虛擬仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)) 3學(xué)時(shí)

5.組合電路的自動(dòng)化設(shè)計(jì)二(虛擬仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)) 3學(xué)時(shí)

6.時(shí)序電路的自動(dòng)化設(shè)計(jì)一(虛擬仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)) 3學(xué)時(shí)

7.時(shí)序電路的自動(dòng)化設(shè)計(jì)二(虛擬仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)) 3學(xué)時(shí)

8.數(shù)字系統(tǒng)自動(dòng)化綜合設(shè)計(jì)(研究探索性實(shí)驗(yàn)) 9學(xué)時(shí)

在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程小班化虛擬仿真教學(xué)中，所選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以是依據(jù)相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)設(shè)立的“虛擬”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也可以源于學(xué)科競賽內(nèi)容。同“虛擬”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相比，學(xué)科競賽內(nèi)容更具前沿性、系統(tǒng)性和創(chuàng)新性[5]。以學(xué)科競賽內(nèi)容驅(qū)動(dòng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，極大程度提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性、研究性及可研討性，為實(shí)驗(yàn)課程小班化虛擬仿真教學(xué)的順利實(shí)施起到了關(guān)鍵作用。多數(shù)學(xué)科競賽內(nèi)容設(shè)立的目的并非為了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對學(xué)科競賽內(nèi)容要從數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)角度進(jìn)行衡量和梳理，從中尋找合適的切入點(diǎn)和結(jié)合點(diǎn)；將學(xué)科競賽內(nèi)容引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還需對內(nèi)容的難易程度進(jìn)行把握，滿足數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的需求。

二、探索小班化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升教學(xué)質(zhì)量

(一)實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)轉(zhuǎn)變”

小班化實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目的的一種教學(xué)方式。小班化實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師要注意弱化自己的身份，在教學(xué)過程中實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)轉(zhuǎn)變”，由以教師為主體的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體的課堂教學(xué)，由學(xué)生聽課轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生問課。課堂上教師要改變將所有實(shí)驗(yàn)步驟教給學(xué)生的觀念，盡可能的讓學(xué)生自己探索、自己思考。小班化實(shí)驗(yàn)教學(xué)上教師起引導(dǎo)的作用，為學(xué)生指明前進(jìn)的方向，學(xué)生在教師所指方向上探索前行[6]。實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生會(huì)遇到許多問題，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師會(huì)找出問題并給出解決方案，而小班化實(shí)驗(yàn)教學(xué)上教師采用討論式的方式解答問題。當(dāng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題時(shí)，教師召集學(xué)生展開討論，由學(xué)生提出看法、給出解決方案。當(dāng)參加討論的學(xué)生對提出的問題無法解答時(shí)，教師采用啟發(fā)的方式引導(dǎo)學(xué)生找到答案。

(二)小班化實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)方式

國家級電工電子實(shí)驗(yàn)中心設(shè)有三個(gè)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，三個(gè)實(shí)驗(yàn)室同時(shí)開放；為達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果，對實(shí)驗(yàn)人數(shù)進(jìn)行了一定的限制，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室最多允許20名學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)主干內(nèi)容仍以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)授課的模式開展，研究探索性實(shí)驗(yàn)則以小班研討模式進(jìn)行。小班化實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要圍繞“交流、研討、參與、動(dòng)手”四方面展開，課堂上學(xué)生承擔(dān)“講解、補(bǔ)充、質(zhì)疑”任務(wù)，教師承擔(dān)“質(zhì)疑、引導(dǎo)、歸納”任務(wù)。研究探索性實(shí)驗(yàn)共有9個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)前學(xué)生分組確定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方向。實(shí)驗(yàn)課上由主講的學(xué)生在限定的時(shí)間內(nèi)講解設(shè)計(jì)內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)步驟，由其它學(xué)生對其設(shè)計(jì)內(nèi)容提出質(zhì)疑，之后所有學(xué)生就設(shè)計(jì)要點(diǎn)、難點(diǎn)展開討論[7]。

(三)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價(jià)方式

小班化實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生的考核主要體現(xiàn)在“參與性、要點(diǎn)提煉、學(xué)識(shí)表現(xiàn)、文檔資料表述”等方面。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體考核評價(jià)內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核注重實(shí)驗(yàn)的過程性，避免以實(shí)驗(yàn)考試定成績的方式[8]。在過程性考核方面，對驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究探索性實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了量化考核，包括課堂實(shí)驗(yàn)檢查、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、期末操作考核、項(xiàng)目階段性檢查、團(tuán)隊(duì)分工、項(xiàng)目驗(yàn)收匯報(bào)等。學(xué)期末，由數(shù)字電路課題組老師對學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)收和測評，課題組老師對該實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的教學(xué)效果給予肯定，認(rèn)為該教學(xué)法有利于學(xué)生協(xié)調(diào)溝通能力和工程設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)[9]。

表1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核評價(jià)內(nèi)容

三、借助虛擬仿真技術(shù)，提升實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)深度

(一)實(shí)驗(yàn)箱功能擴(kuò)展，滿足虛擬仿真教學(xué)需求

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)箱主要支持74系列芯片的使用，能滿足傳統(tǒng)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)要求；由于不能軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)仿真等實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，已不能很好的適應(yīng)虛擬仿真教學(xué)的需求。采用數(shù)字電路邏輯實(shí)驗(yàn)箱和EDA技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)箱兩套實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能較好的滿足綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求；但兩套實(shí)驗(yàn)箱投入成本較高，同時(shí)也增加了實(shí)驗(yàn)室管理的工作量。對原有的數(shù)字電路邏輯實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行功能擴(kuò)展，增加CPLD模塊，不僅能將兩套實(shí)驗(yàn)箱的功能進(jìn)行有效的結(jié)合，滿足數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)的要求；還能為開放性實(shí)驗(yàn)室提供使用，培養(yǎng)學(xué)生自主和創(chuàng)新學(xué)習(xí)的能力[10-11]。

針對數(shù)字電路邏輯實(shí)驗(yàn)箱不能軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)仿真的缺陷，對原有的90套實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行功能擴(kuò)展，自主設(shè)計(jì)了CPLD模塊。CPLD模塊選用Altera公司的EPM570T144C5芯片作為核心器件，外圍電路配置了LED點(diǎn)陣、數(shù)碼管顯示模塊、LCD顯示模塊、直流電機(jī)模塊和按鍵模塊等。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)箱經(jīng)測試和使用，能滿足虛擬仿真教學(xué)的需求。

(二)在線教學(xué)及虛擬仿真支持平臺(tái)建設(shè)

多數(shù)虛擬仿真教學(xué)需在專用的機(jī)房開展教學(xué)工作，教學(xué)軟件只能安裝到本地計(jì)算機(jī)上獨(dú)立運(yùn)行，沒有配套的教學(xué)管理資源。我校國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心與北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司合作開發(fā)了在線教學(xué)及虛擬仿真支持平臺(tái)。該平臺(tái)很大程度的改善了上述的不足，通過平臺(tái)的客戶端就能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程的在線教學(xué)。該平臺(tái)主要包括教學(xué)計(jì)劃、開課管理、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作和答疑室等模塊，可校內(nèi)外登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，觀看實(shí)驗(yàn)教學(xué)錄像、開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)答疑等。

(三)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真設(shè)計(jì)項(xiàng)目，突破了實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新程度不高的局限性，逐步提升實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的廣度和深度。下面以“設(shè)計(jì)8位串行進(jìn)位加法器”為例，介紹采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、下載的過程。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)：設(shè)計(jì)8位串行進(jìn)位加法器，給出時(shí)序仿真波形，進(jìn)行下載測試。

8位串行進(jìn)位加法器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

具體實(shí)現(xiàn)：(1)利用與門和異或門構(gòu)成1位半加器，并將其轉(zhuǎn)化為1位半加器電路元件模塊。(2)調(diào)用1位半加器電路元件模塊構(gòu)成1位全加器，并將其轉(zhuǎn)化為1位全加器電路元件模塊。(3)調(diào)用1位全加器電路元件模塊構(gòu)成8位串行進(jìn)位加法器，對其進(jìn)行全程編譯。(4)建立波形仿真文件，設(shè)置仿真器參數(shù)，輸出時(shí)序仿真波形。(5)對輸入、輸出引腳進(jìn)行鎖定，配置文件下載，對硬件電路進(jìn)行測試。

仿真：設(shè)置仿真時(shí)間區(qū)域?yàn)?00us，對輸入引腳A[7]～A[0]、B[7]～B[0]、CI設(shè)置輸入信號(hào)，得到仿真時(shí)序波形。

下載測試：進(jìn)行引腳鎖定，輸入引腳A[7]～A[0]、B[7]～B[0]、CI分別鎖定于實(shí)驗(yàn)箱的邏輯開關(guān)，輸出引腳S[7]～S[0]、CO分別鎖定于實(shí)驗(yàn)箱的發(fā)光二極管。完成引腳鎖定操作后，打開編輯窗口，進(jìn)行編程器選擇操作，完成對目標(biāo)器件CPLD的配置下載操作。撥動(dòng)邏輯開關(guān)，觀察發(fā)光二極管的亮滅情況，判斷8位串行進(jìn)位加法器的邏輯功能和工作情況。

四、教學(xué)改革的效果

小班化虛擬仿真教學(xué)在注重基礎(chǔ)知識(shí)的情況下，更加注重學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。表2是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和小班化虛擬仿真教學(xué)的學(xué)生在典型電路設(shè)計(jì)和綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

表2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和小班化虛擬仿真教學(xué)數(shù)據(jù)表

從表2中可以看出，小班化虛擬仿真教學(xué)的學(xué)生在設(shè)計(jì)12分頻電路時(shí)設(shè)計(jì)方法更具多樣性，在綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)選題難度較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生有極大程度的提升。表2的數(shù)據(jù)只能反應(yīng)教學(xué)改革的部分效果，在小班化虛擬仿真教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生表現(xiàn)出較高的積極性，都能順利的完成各類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)[12]。通過小班化虛擬仿真教學(xué)，絕大部分學(xué)生分析解決實(shí)際問題的能力得到了極大的提高，為他們學(xué)好其他數(shù)字類課程以及參加大學(xué)生學(xué)科競賽奠定了良好的基礎(chǔ)；經(jīng)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的學(xué)生，在2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中獲得國家一等獎(jiǎng)一組和國家二等獎(jiǎng)二組。

五、結(jié)語

隨著數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的逐步推進(jìn)，以小班化虛擬仿真教學(xué)為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式將逐步取代基于74系列芯片的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)課程模式，克服了教學(xué)場地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的限制，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，同時(shí)降低了實(shí)驗(yàn)成本。數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室在自制教學(xué)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革、培養(yǎng)學(xué)生參加電子競賽等方面取得了一定的成績，但仍需不斷推進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程的改革，為學(xué)生提供更加良好的實(shí)驗(yàn)氛圍。

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[9]韓桂英，李錫祚.CDIO視野下項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的數(shù)字電路教學(xué)探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(1)：168-170.

[10]杜世民，楊相生，楊潤萍，等.基于EDA技術(shù)的數(shù)字電路綜合實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(10)：93-94.

[11]黃衛(wèi)華,賈歷程.基于FPGA的EDA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(4)：203-206.

[12]徐瑩雋.基于開放教學(xué)模式的數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(6)：64-66.

A Probe into Digital Circuit Experiment of Virtual Simulation Teaching in Small-sized Class

MA Xue-tiao

(SchoolofElectronics&Information,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

The problems in the current teaching of the course of digital circuit experiment are analyzed.Based on the actual specific experimental situation in Hangzhou Dianzi University, the paper illustrates the teaching methods of the experiment related with the educational reform of digital circuit experiment, which includes the following three aspects, the small-sized class teaching，the virtual simulation teaching and the discipline competition. The result shows that the reform has achieved a good teaching efficiency in cultivating students ‘a(chǎn)nalyzing and solving practical problems and their innovative capabilities, which can be taken as a reference in the teaching similar courses.

virtual simulation；small-sized class teaching；digital circuit；experiment teaching

10.13954/j.cnki.hduss.2016.06.013

2015-10-23

杭州電子科技大學(xué)高教研究課題(YB201524)；浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項(xiàng)目(kg2013125)；浙江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(jg2015060)

馬學(xué)條(1984-)，男，浙江溫州人，助理實(shí)驗(yàn)師，電路與系統(tǒng).

G642

B

1001-9146(2016)06-0064-04