楊杰 丁文霞 胡勝 曲春曉
[摘 要]受新冠疫情影響,數(shù)字電子技術(shù)課程也陷入不能按常規(guī)方式完成實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)的困境。為此,根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)課程的特點(diǎn),項(xiàng)目組采用了“將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容高度綜合后與理論教學(xué)融為一體、再輔以軟件仿真實(shí)現(xiàn)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。具體做法是:設(shè)計(jì)數(shù)個(gè)密切結(jié)合實(shí)際的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,在后期的理論教學(xué)中不斷“借題發(fā)揮”展開(kāi)討論、分析,同時(shí)借助網(wǎng)絡(luò)保持師生高頻互動(dòng),最終由學(xué)生獨(dú)立用軟件仿真完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種方法能把實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與理論教學(xué)有機(jī)地融合起來(lái),兩者相輔相成、相得益彰,取得了良好的教學(xué)效果。
[關(guān)鍵詞]數(shù)字電子技術(shù);實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革;計(jì)算機(jī)仿真
[中圖分類(lèi)號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437(2021)06-0090-03
一、引言
2020年初,一場(chǎng)突如其來(lái)的新冠疫情改變了一切,全國(guó)各類(lèi)學(xué)校的正常教學(xué)秩序受到了強(qiáng)烈沖擊。為貫徹“停課不停學(xué)”的指導(dǎo)方針,我們所講授的數(shù)字電子技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“數(shù)電”)課程和其他課程一樣,開(kāi)展了以網(wǎng)課模式為核心的教學(xué)。然而,疫情的嚴(yán)重性大大超出了預(yù)期,所有的課程不得不接受這樣一個(gè)嚴(yán)酷的現(xiàn)實(shí):按常規(guī)的方式在相應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)已經(jīng)不可能實(shí)現(xiàn)。
面對(duì)這種特殊情況,當(dāng)然可以采取“先理論后實(shí)驗(yàn)”的方法,即先用網(wǎng)課的形式完成理論部分的教學(xué),等到疫情緩解學(xué)生正常返校上課時(shí),再按常規(guī)方式把實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)補(bǔ)齊。這樣做固然省事,也無(wú)須承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn),但由于學(xué)習(xí)理論知識(shí)時(shí)與實(shí)踐脫節(jié),極有可能會(huì)影響學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)際效果,且勢(shì)必要面對(duì)后期多門(mén)課程實(shí)驗(yàn)都需要突擊完成的尷尬局面。
為了更好地完成教學(xué)任務(wù),課程組教師多次進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻會(huì)議,經(jīng)過(guò)反復(fù)討論,形成了如下共識(shí):數(shù)電是電類(lèi)各專(zhuān)業(yè)的核心基礎(chǔ)課程,后續(xù)許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)均要以此為基礎(chǔ),且數(shù)電的實(shí)踐性很強(qiáng),實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是該門(mén)課程教學(xué)環(huán)節(jié)中不可或缺的一個(gè)重要組成部分,只有與理論教學(xué)有機(jī)地融為一體才能保證最佳的教學(xué)效果[1];數(shù)字電路相對(duì)簡(jiǎn)單,計(jì)算機(jī)幾乎能100%仿真出實(shí)際運(yùn)行的情況,用軟件仿真基本可以達(dá)到常規(guī)實(shí)驗(yàn)的效果[2]。據(jù)此,課程組教師決定,因勢(shì)利導(dǎo),把“線上理論教學(xué)”和“線下虛擬仿真” 結(jié)合起來(lái),采用“將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容高度綜合后與理論教學(xué)融為一體、再輔以軟件仿真實(shí)現(xiàn)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式應(yīng)對(duì)這次危機(jī)。具體做法是:首先設(shè)計(jì)數(shù)個(gè)密切結(jié)合實(shí)際且綜合性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目發(fā)布給學(xué)生,在隨后的理論教學(xué)中不斷“借題發(fā)揮”,圍繞這些綜合實(shí)驗(yàn)展開(kāi)討論、分析,期間教師通過(guò)網(wǎng)絡(luò)給學(xué)生及時(shí)答疑輔導(dǎo),由學(xué)生借助計(jì)算機(jī)仿真獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,最后學(xué)生上傳提交相關(guān)設(shè)計(jì)文檔、視頻供教師檢查驗(yàn)收。
二、實(shí)施過(guò)程
(一)頂層精細(xì)設(shè)計(jì)
在決定改用新模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)后,我們首先設(shè)計(jì)了三個(gè)較綜合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目:“整點(diǎn)報(bào)時(shí)的數(shù)字鐘”“智力競(jìng)賽搶答器”和“倒計(jì)時(shí)自動(dòng)紅綠燈交通指揮系統(tǒng)”。這些項(xiàng)目既綜合了數(shù)電課程的主要核心內(nèi)容,又與實(shí)際生活密切相關(guān),方便學(xué)生理解,容易激發(fā)學(xué)生的興趣。比如,“整點(diǎn)報(bào)時(shí)的數(shù)字鐘”本質(zhì)上就是數(shù)電中時(shí)序邏輯部分的典型電路——計(jì)數(shù)器,只不過(guò)增加了級(jí)聯(lián)、對(duì)時(shí)以及整點(diǎn)報(bào)時(shí)的內(nèi)容。弄懂其原理后,還可以自由拓展升級(jí)成帶定時(shí)鬧鐘的數(shù)字鐘?!爸橇Ω?jìng)賽搶答器”是學(xué)生喜聞樂(lè)見(jiàn)的電子產(chǎn)品,除了定時(shí)控制之外,主要訓(xùn)練學(xué)生如何靈活、變通地使用成品的數(shù)字芯片,同時(shí)理解數(shù)電核心器件——“觸發(fā)器”的工作原理,并掌握分塊設(shè)計(jì)、調(diào)試的技巧。自由拓展的空間包括參賽選手人數(shù)的增加以及定時(shí)控制時(shí)間的延長(zhǎng)等?!暗褂?jì)時(shí)自動(dòng)紅綠燈交通指揮系統(tǒng)”也是數(shù)電中時(shí)序邏輯電路部分中典型電路“計(jì)數(shù)器”的應(yīng)用,訓(xùn)練的內(nèi)容包括級(jí)聯(lián)、溢出及置數(shù)控制等,還可以在“夜間模式”“交通高峰模式”以及“多車(chē)道信號(hào)控制”等方面進(jìn)行深度拓展。
為適應(yīng)學(xué)生能力存在差異、各自在家不方便互助學(xué)習(xí)的實(shí)際情況,課程組教師靈活地采用了層次化管理手段,三個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K各有側(cè)重且任務(wù)靈活可變,每個(gè)模塊在要求方面既符合教學(xué)大綱,又有進(jìn)一步拓展的空間,也鼓勵(lì)學(xué)生自由發(fā)揮。學(xué)生可根據(jù)自己的能力、興趣任選一項(xiàng)完成,且深度可自己把握。這樣因材施教,既不會(huì)讓部分基礎(chǔ)差的學(xué)生因無(wú)法完成而產(chǎn)生抵觸心理影響實(shí)際成效,又可以讓有能力的學(xué)生吃得飽,使富有創(chuàng)造力的學(xué)生可以有更大的發(fā)揮空間[3]。
在申請(qǐng)上報(bào)獲批后,實(shí)驗(yàn)部分的教學(xué)大綱也做了調(diào)整,并將綜合實(shí)驗(yàn)的題目、實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施方案等及時(shí)傳達(dá)給了學(xué)生。
(二)控制時(shí)間節(jié)點(diǎn)
由于設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是綜合性的,其目標(biāo)不僅要完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,還要把數(shù)電的核心知識(shí)都融入其中,使理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用掛鉤。故教師在理論教學(xué)時(shí)不斷地“借題發(fā)揮”。如在第三章“邏輯門(mén)電路”、第五章“觸發(fā)器”的講解中,有意識(shí)地介紹現(xiàn)有數(shù)字集成芯片的種類(lèi)及選型方法,為后期電路設(shè)計(jì)的芯片選型做鋪墊;在第四章“組合邏輯電路”和第六章“時(shí)序邏輯電路”的講解中,都以將要涉及的三個(gè)綜合項(xiàng)目為例,展開(kāi)相關(guān)電路設(shè)計(jì)方法的教學(xué),通過(guò)凝聚學(xué)生學(xué)習(xí)注意力的方法提升教學(xué)效果,在不增加學(xué)時(shí)的前提下,既完成了知識(shí)點(diǎn)的講授,同時(shí)又兼顧了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo),可謂一石二鳥(niǎo)、事半功倍。
(三)線上詳盡輔導(dǎo)
計(jì)算機(jī)虛擬仿真是高效的現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段,也是這次完成實(shí)驗(yàn)的最終形式。為此,任課教師利用講課時(shí)章節(jié)之間的銜接點(diǎn)等時(shí)機(jī),見(jiàn)縫插針地向?qū)W生介紹相關(guān)軟件的知識(shí),包括使用方法、注意事項(xiàng)等,旨在讓學(xué)生早早就熟悉這種“神器”。
在課程的核心內(nèi)容教授完成后,再用2個(gè)課時(shí)把三個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)題的設(shè)計(jì)方法、調(diào)試步驟等內(nèi)容系統(tǒng)地給學(xué)生講授一遍,包括類(lèi)似問(wèn)題的核心電路舉例、后期調(diào)試可能遇到的難點(diǎn)以及需要采取的對(duì)策等。這個(gè)環(huán)節(jié)可以給初次涉及電路設(shè)計(jì)及軟件仿真的學(xué)生以實(shí)實(shí)在在的幫助。
(四)互動(dòng)交流輔導(dǎo)
疫情期間,學(xué)生各自居家,相互之間交流受到很大限制。每個(gè)人的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)不同,使用的軟件環(huán)境也各不相同,初次利用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行電路設(shè)計(jì),必然會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題。及時(shí)給學(xué)生提供個(gè)性化的幫助是新模式下完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要措施。課程組教師利用網(wǎng)課期間早已建立好的班級(jí)QQ群、微信群等,和每位學(xué)生都建立了快捷的信息交流通道;在優(yōu)學(xué)院平臺(tái)還開(kāi)設(shè)了師生交流區(qū),任課教師采取輪班負(fù)責(zé)制,保證每天都有教師負(fù)責(zé)在線答疑。這樣,任何學(xué)生只要有需求且提出來(lái),都會(huì)很快得到教師的響應(yīng)。通過(guò)這些交流渠道,我們基本把師生之間的空間距離縮短到了“零”。
(五)學(xué)生仿真設(shè)計(jì)
軟件仿真是借助計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算能力,用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)真實(shí)系統(tǒng)或設(shè)想系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)的一門(mén)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)硬件及軟件水平的不斷進(jìn)步,軟件仿真在科技發(fā)展中發(fā)揮出越來(lái)越大的作用,不僅大幅提高了工作效率,還降低了設(shè)計(jì)成本、縮短了開(kāi)發(fā)周期,已成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)不可或缺的技術(shù)手段,也是每個(gè)未來(lái)工程師必須掌握的重要技能。
能夠進(jìn)行仿真數(shù)電工作的軟件很多,本次遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)向?qū)W生推薦使用的軟件是Multisim[4]。這款仿真軟件內(nèi)部具有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的建模精確的元器件模型和各類(lèi)精度極高的虛擬儀器儀表,可以在計(jì)算機(jī)純軟環(huán)境中逼真地模擬出由各種電子元器件組成的電路以及儀器儀表,仿真演示各種電路的實(shí)際運(yùn)行效果,且與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果非常相近。元件庫(kù)中幾乎所有真實(shí)元器件都有PCB封裝圖與之對(duì)應(yīng),并提供了進(jìn)一步進(jìn)行PCB制板的輸出接口,因而具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
用Multisim進(jìn)行數(shù)字電路的設(shè)計(jì)驗(yàn)證尤其能突顯其優(yōu)越性。由于數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單,用Multisim仿真,可以非常逼真地演示出實(shí)際電路的運(yùn)行情況,甚至比在實(shí)驗(yàn)室的面包板上搭接電路更為方便,而一切操作只需動(dòng)動(dòng)鼠標(biāo)即可。在其自身提供的虛擬元件庫(kù)中,有全系列的各種常規(guī)數(shù)字電路產(chǎn)品供用戶(hù)隨意選擇使用,其還提供了各種常規(guī)儀表,包括邏輯分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等高級(jí)儀器儀表,甚至提供了如“字信號(hào)發(fā)生器”“邏輯轉(zhuǎn)換儀”等現(xiàn)實(shí)儀器中并不存在的工具,學(xué)生完全不用考慮元器件的消耗和儀器儀表資源的占用,且設(shè)計(jì)調(diào)試安全,永無(wú)損壞儀器儀表、損傷器件之慮。打開(kāi)Multisim仿佛進(jìn)入了一個(gè)設(shè)備齊全的高檔實(shí)驗(yàn)室。其尤其適合疫情期間使用實(shí)際器件和實(shí)驗(yàn)儀器不便的特殊情況,功能齊全、直觀逼真、易學(xué)易用,且使用范圍廣泛、資源豐富,使用起來(lái)十分便捷。
學(xué)生最終須提交一份獨(dú)立完成的仿真設(shè)計(jì)文檔,教師下載后可以檢查學(xué)生的完成情況,公平客觀地給予相應(yīng)的成績(jī)。
(六)成果驗(yàn)收檢查
為了保證最終的效果,同時(shí)也為了鍛煉學(xué)生的能力,在實(shí)驗(yàn)布置之初教師就明確要求學(xué)生,提交的最終實(shí)驗(yàn)成果必須包含以下幾方面的內(nèi)容。
1. 撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告
撰寫(xiě)技術(shù)文檔是現(xiàn)代從事科研工作人員必須掌握的基本技能,也是大學(xué)教育對(duì)學(xué)生進(jìn)行訓(xùn)練的一個(gè)重要內(nèi)容。雖然以往的實(shí)驗(yàn)也要提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告,但由于所完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多沒(méi)有學(xué)生自主參與的成分,大段照抄實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的現(xiàn)象非常普遍。而這次實(shí)驗(yàn)主要由學(xué)生自主設(shè)計(jì)完成,沒(méi)有了大段、現(xiàn)成的可以復(fù)制的內(nèi)容,這就要求學(xué)生在撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告上多花點(diǎn)功夫,把自己的設(shè)計(jì)思路、遇到的問(wèn)題以及解決的方法,包括自己的心得體會(huì)、真情實(shí)感都整理記錄下來(lái),這正好是一次鍛煉的機(jī)會(huì)。
為了切實(shí)提高學(xué)生撰寫(xiě)報(bào)告的能力,任課教師刻意提前準(zhǔn)備了一個(gè)模板,給出了相應(yīng)的大綱,要求學(xué)生從選題意義、方案選型、電路設(shè)計(jì)、調(diào)試步驟、效果總結(jié)、體會(huì)感想等方面入手,寫(xiě)出真正屬于自己的、與眾不同的實(shí)驗(yàn)報(bào)告;還要求學(xué)生精細(xì)排版,處理好頁(yè)眉、頁(yè)腳、封面、目錄等,對(duì)字體、字號(hào)、行距、參考文獻(xiàn)的寫(xiě)法等都做了明確細(xì)致的規(guī)定。由于文檔通常還需要插入電路圖、表格等,學(xué)生在此過(guò)程可以得到充分的訓(xùn)練。
為防止版本差異造成的排版錯(cuò)誤,同時(shí)要求學(xué)生提供PDF格式的文檔,最終教師從實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容、排版等方面給出這部分的成績(jī)。
2. 錄制露臉視頻
現(xiàn)在智能手機(jī)早已普及,即使在疫情形勢(shì)下錄制視頻也是一件輕而易舉的事。有了優(yōu)學(xué)院平臺(tái)的優(yōu)勢(shì),學(xué)生上傳視頻也非常容易。每個(gè)學(xué)生在完成設(shè)計(jì)后,需要錄制并上傳一段自己設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)仿真的工作視頻,在視頻中學(xué)生本人要同步講解其工作原理,且要有露臉鏡頭以驗(yàn)明正身。這就更能反映學(xué)生的實(shí)際水平和參與度,有助于教師甄別優(yōu)劣、剔除假冒,學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力也可得到鍛煉。
3. 提交仿真文件
學(xué)生必須提交各自所設(shè)計(jì)的電腦仿真文檔,并明確所用仿真軟件名稱(chēng)、版本,以方便教師驗(yàn)證、檢查學(xué)生的實(shí)際完成情況。
4. 制作PPT
學(xué)生畢業(yè)后在職場(chǎng)上,經(jīng)常會(huì)遇到項(xiàng)目投標(biāo)匯報(bào)等場(chǎng)景。因此,學(xué)生針對(duì)自己的設(shè)計(jì)做匯報(bào)PPT也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。雖然受疫情影響,這項(xiàng)內(nèi)容只是選做,受時(shí)間限制也無(wú)法全面展開(kāi),但學(xué)生制作了PPT并在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上共享,同樣也是一次很好的鍛煉。
三、效果分析
2020年上半年?yáng)|莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)這門(mén)課共有4個(gè)專(zhuān)業(yè)、10個(gè)班級(jí)、363名學(xué)生參加學(xué)習(xí),所有學(xué)生全部參與了新的實(shí)驗(yàn)?zāi)J降慕虒W(xué),最終除極個(gè)別學(xué)生外,絕大多數(shù)學(xué)生都按要求完成了項(xiàng)目。大家積極參與其中,不少學(xué)生不僅完成了基本內(nèi)容,還把拓展任務(wù)也完成了,甚至有好幾位學(xué)生把三個(gè)項(xiàng)目全部都做了一遍。
從最終成績(jī)來(lái)看,有80名學(xué)生(約22%)的實(shí)驗(yàn)成績(jī)?yōu)閮?yōu),149名學(xué)生(約41%)是良好,83名學(xué)生(約23%)是中等,僅47名學(xué)生(約13%)的成績(jī)?yōu)榧案?,而不合格的?名,只占約1%。最終的實(shí)驗(yàn)成績(jī)分布情況見(jiàn)圖1。
從學(xué)生反饋來(lái)看,學(xué)生對(duì)這次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革接受度較高,都廣泛認(rèn)同了這種疫情中網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境下新的實(shí)驗(yàn)?zāi)J?。與常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比,由于自主參與的成分較多,大多數(shù)學(xué)生參與的積極性較高。再者,疫情把學(xué)生限制在各自家庭,客觀上“濫竽充數(shù)”就沒(méi)那么容易了,這就迫使他們必須拋棄以往的依賴(lài)性,積極參與到這次的實(shí)驗(yàn)中。不少學(xué)生反映,許多上課時(shí)介紹的理論知識(shí)點(diǎn),在做實(shí)驗(yàn)之前“似懂非懂”,而完成整個(gè)設(shè)計(jì)之后,則感覺(jué)“豁然開(kāi)朗”“茅塞頓開(kāi)”,并在辦公軟件的使用及視頻文檔制作等諸多方面得到了鍛煉。
四、結(jié)束語(yǔ)
實(shí)踐教學(xué)是一個(gè)廣闊而肥沃的育人天地,只要構(gòu)建并實(shí)施了正確的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和培養(yǎng)模式,堅(jiān)持不懈地進(jìn)行探索、研究,不斷提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量,就一定能發(fā)揮出實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力方面的重要作用。
本次新冠疫情期間,面對(duì)不可抗拒的教學(xué)條件突變,我們從數(shù)電課程的特點(diǎn)出發(fā),充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)勢(shì),利用網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)彌補(bǔ)空間距離的缺陷,經(jīng)過(guò)縝密的頂層設(shè)計(jì),提出并實(shí)施了“將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容高度綜合后與理論教學(xué)融為一體、再輔以軟件仿真實(shí)現(xiàn)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,把理論教學(xué)講授與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)有機(jī)融合,最終取得了良好的實(shí)際效果,得到學(xué)生的廣泛認(rèn)可,同時(shí)獲得了廣東省本科高校在線開(kāi)放課程指導(dǎo)委員會(huì)頒發(fā)的“疫情階段在線教學(xué)優(yōu)秀案例”省級(jí)一等獎(jiǎng)。
[ 參 考 文 獻(xiàn) ]
[1] 王芳.淺談數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)改革方法[J].黑龍江教育學(xué)院學(xué)報(bào),2014(6):87-88.
[2] 吳學(xué)軍,張靜. EDA仿真設(shè)計(jì)在《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].湖北文理學(xué)院學(xué)報(bào),2013(11):78-81.
[3] 楊杰,楊雷.“數(shù)字電子技術(shù)”多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào),2007(2):97-99+105.
[4] 李響,趙耀. Multisim在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].信息技術(shù)與信息化,2020(2):210-212.
[責(zé)任編輯:陳 明]