摘要：本文分析了《数字电路实验》课程的地位、内容和实验教学中面临的问题，结合高校本科生创新型人才培养的目标，讨论了在数字电路实验教学中实行设计性实验教学的可行性。总结了设计性实验教学实施一年来从准备到实施各环节中的应注意的问题和解决的方法。探讨了设计性实验教学在促进学生架构完整的数字系统知识体系、提高学生电路设计能力和创新意识方面取得的良好效果。
关键词：设计性实验教学；课题设计；课题评估
中图分类号：G652 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）09-0008-03
《数字电路实验》是我校电子类专业的一门专业必修课。是继《数字电路》理论课程后单独的一门实验课程。《数字电路实验》是理论教学的补充和延续，通过实验教学可以巩固理论知识，培养实践能力。同时数字电路实验也是《微机原理》、《微机接口技术》等的前端课程，有着很重要的地位。数字逻辑电路技术领域的知识包含理论和实践，这一特点决定了数字电路实验教学必须重视实践能力的培养。如何在数字电路实验教学中注重培养学生的实践能力和创新意识，是实验教学中的重要课题。我们尝试把数字电路实验分成三部分进行：基础实验；单元电路设计实验；综合性设计实验。第一步分的基础实验是和理论课程紧密的结合，实验的设置主要是一些入门级的基本概念，进度跟随理论课程同步进行。第二、第三部分是在第二学期进行。第二部分的单元电路设计是为了进一步加深对数字电路的重要概念的理解和运用。从本质上讲应该是属于验证性的实验。第三部分是数字电路综合设计，在综合设计的题目中，适当的涉及一些传感器，模拟电路等其他课程中的知识，目的是为了提高学生的设计能力。
一、传统实验教学中存在的问题
1.实验内容设置。在传统的重视理论教学，轻视实验教学的影响下，每一次的实验内容仅仅局限于验证理论课上的结论。对于通过实验加深理解理论知识的应用方面有所欠缺。传统的数字电路实验内容中，很少有涉及到模拟电路、传感器等方面的内容的综合性实验。传统验证性不利于培养现时代所需要的有理论知识、有动手能力、有创新意识的人才。
2.实验设备。传统的数字电路实验设备实验教学的手段相对落后，实验内容和实验方式也就受到了限制。实验一般是在面包板或者是类似于面包板的实验箱上进行。学生只要对照书本连线即可完成实验。造成了部分学生在不懂实验原理的情况下，依样画葫芦也同样完成了实验。部分学生在做完实验后还是知其然，不知其所以然，完全处于被动地位。没有起到实验教学应该起到的作用。
3.实验报告和实验评分。合理的成绩评定方法是客观评价教学质量的一个指标。传统的实验考核成绩主要由实验报告和期末考试决定。但由于传统的实验内容和实验方式的限制，依靠实验报告和期末考试的评分方式无法全面评价学生是否掌握了实验原理、技巧、以及实验过程中的表现，有失公正、全面的评分原则。
二、设计性实验教学必要性
验证性实验是加深对理论知识的理解，仅仅是验证性的基础实验不利于提高学生的综合素质，不能适应后继课程和当前的经济时代对人才培养的迫切需求。设计性实验则要求学生在掌握牢固的基础知识后，运用一种或多种方法完成教师给定的实验。教育部在《普通高等学校本科教学工作水平评估方案》明确指出：“设计性实验是指给定实验目的要求和实验条件由学生自行设计实验方案并加以完成的实验”。设计性实验在实施的过程中，很明显的产生了以下几个特点：
1.发挥了学生实验积极性。在数字电路的设计实验中，实验教师只是给定了实验的课题，考虑到学生个体的差异，教师根据课题的实际情况，对部分设计性实验课题给出了原理性框图。设计实验并不规定实现课题的方法和手段，学生可以在教师的指导下，自主选择实现实验器材、方法和手段。学生必须自己查阅资料，规划实验过程和方案，设计实验电路，主动询问教师。学生在实验的过程中处于主动的学习状态。例如课题：晶体管图示仪用的三角波锯齿波发生器设计。该题可以用常规的模拟电路实现，也可以用数字器件加上部分模拟器件设计出性能更稳定的电路。学生在接受设计课题后，首先是要查找资料，了解图示仪工作原理，查找三角波锯齿波发生器各种设计方法。充分调动了学生实验的积极性。
2.在实验方法上的多样性。设计性实验的课题是明确的，但是并不规定实现课题的方法。不同的学生有不同的思维方式。当多个实验小组在选择了同一个实验课题时，各个实验小组会有不同的实验方法。在设计性实验的过程中，充分的发挥了人的创造性思维，也就是最大限度地调动了积极性。例如：在实现图示仪中用的锯齿波三角波发生器电路设计时，可以采用555电路作为CLK信号，对数字电路的计数器进行计数，通过运放产生锯齿波和三角波的设计方案。但是也有同学用555电路作为振荡器，使用三极管对555波形输出进行积分，从而直接产生三角波锯齿波的实验方案。
3.实验内容的探索性。部分的设计性实验课题，实验中包括了一定含量的探索性质。这部分实验课题适合于部分基础好求知欲旺盛的学生。对于这部分的学生来说，是参与教学科研早期结合的一种重要形式。能激发学生对科学技术的好奇心和求知欲望。例如：课题《简易四踪示波器》的实验，是在普通示波器上同时显示四路数字信号。在设计时除了数字电路的知识外，还应具有简单的单片机知识和示波器原理方面的知识。要完成实验，则必须要对单片机和示波器方面的知识进行探究。这个过程也是培养学生对知识探究能力的有效途径。
4.实施设计性实验教学法的效果。现代的教学理念更应注重于学生能迅速发现问题并解决实际问题的能力。从对本系2009级设计性实验教学的效果来看，设计性实验教学法在理论和实践相结合的实际效果以及调动学生主动学习的积极性方面，有了很大的改善。增加了设计性实验教学后，尽管学生在实践的过程中会遇到很多的问题，但通常学生都会主动地查资料，找老师讨论，会自主地通过各种途径去完成项目，使得以往单调的学习过程变得生动起来。
三、设计性实验教学法的实施
我们在实验教学的过程中，并不是完全否定传统的验证性实验，设计性实验教学法的教学应该有层次的推进。从对我院09级的学生实施设计性实验教学法来看，在实施设计性教学法时，应注意四个重要的环节：①改进和精简传统性的基础实验。②设计性实验中，设计课题的选择能最大限度的复盖数字电路知识点的课题。③选择带有探索性实验的课题。④建立合理的实验评分规则。
1.验证性实验项目的训练。对于刚从理论课堂上转入实验室的学生来说，传统性的基础实验在数字电路实验教学中的作用不可忽视。它能加深和巩固理论知识，学生能在进行验证性实验的同时适应实验仪器使用技能，数据处理方法等。但是传统验证性的实验要加以改进，在对某一知识点进行验证后，要求学生进一步深入，生成建构新的知识。例如：门电路外部特性测试：①在按实验指导书对输入电平、电流、负载和空载情况下的电平、电流进行了测试。②给出电压传输特性曲线的定义，要求学生测试出该门电路出电压传输特性曲线。3.要求学生从电压传输特性曲线解读出门电路的几个参数。允许学生查阅资料，描述出参数的物理意义，举例指出此参数在实际使用的场合和注意事项。传统的验证性实验要少而精，教师不应过多的进行讲解。重要的是要求学生在课前进行预习。
2.实验课题的设计。该阶段以设计性实验为主线，教师从知识的传输者变为指导者，学生从知识的被动接受者转变为知识的主动建构者。设计性实验的宗旨是为了锻炼学生运用基础知识的能力，拓宽学生的视野，引导学生对理论课程进行比较深入地探究。在进行实验课题的选择时，我们注意了以下几个方面：（1）选择复盖数字电路知识点多的课题。设计性实验的要点应紧密的结合数字逻辑电路的重要概念、原理、技巧等展开。适当的增加一定量的模拟电路和传感器方面的应用知识，以增强学生对实验课题的系统性认识。教师在备课时要仔细的研究实验课题，精心组织实验内容，撰写实验任务书，使学生对实验课题有一个清晰的认识。（2）实验课题的可选择性。由于学生个性上的差异，在设计实验课题的设计上应该分为几个层次。我们的做法是分为基本型课题，提高型课题和探究型课题。基本型课题的难度不应低于验证性实验。提高型设计实验的课题是以数字电路为主，传感器和模拟电路为辅。探究型课题一般是在提高型的基础上，需要另一门学科的配合，例如需要单片机控制等，探究性课题适合于个别的基础非常好的学生。（3）工作量和难易程度要适合。设计性实验的课题工作量和难易程度要适中。课题的设计可以多样性，课题要尽可能采用统一的模板，包含学习的目标，各阶段要达到的目标和时间节点，参考资源和评价标准等。例如：锯齿波阶梯波发生器电路设计（提高型课题）。（1）教师和学生共同讨论和分析通用晶体管图示仪的扫描信号和阶梯信号，可以得出有以下几个缺点：①使用了50HZ的低扫描频率，显示的特性曲线闪烁比较严重。②X轴扫描为正弦波，线性度差。③波形变换电路复杂。（2）课题的任务是设计一个基于数字逻辑电路的锯齿波和阶梯波信号发生器。通过555定时器产生同步的X轴扫描锯齿波和Y轴扫描阶梯波。克服使用50HZ扫描频率低带来的缺点。③比较以上二个方案，得出二个电路的性能、成本等优缺点。基于数字电路的锯齿波阶梯波发生器电路，它所包含的数字电路有：①振荡器；②加法器；③数模转换器；④运算放大器等电路。包含了数电的重要知识，模电中的运算放大器知识也得到了灵活的运用。加深和巩固学生数字电路的知识，拓宽学生在仪器原理、模拟电路等方面的视野等。
3.设计性实验教学的评分机制。正确合理的实验教学的评分机制，能够规范学生的实验过程，激发学生的实验兴趣。在设计性实验指导的过程中，由于设计性实验的方案、过程、实验的元器件等各不相同，由此而增加了实验考核的难度。为使设计性实验教学的顺利进行，要注意以下的几个问题。①制定统一的考核标准。在设计性实验考核的过程中，要制定统一的考核标准，避免实验教师间不同的考核标准，挫伤了学生的积极性。在考核同一设计性实验课题时，各教师间要互相通气，防止学生互相抄写实验数据和实验报告等作弊现象。②建立合理的考核分数比例。实验教学的评分是教学中重要的环节。在评分的机制上重视实验课题的实现过程，淡化考试成绩的比重。在考核分数的比例方面，我们认为实验过程的考核占50%，期末考试占30%，实验报告15%、实验室纪律方面占5%。③实验过程的考核。占50%实验过程的考核，把设计课题分为基本分、性能优异分、创新分三大部分。对提高题而言，如果课题设计达到了基本功能，实验报告叙述正确为基本分。课题中的电路设计合理精炼，电路排列合理、实验报告格式规范、叙述精简合理为性能优异分。采用了新技术（数电课程以外的技术）或者有所创新为创新分。评估采用了自评、学生互评和教师评相结合，评分时公开透明。考核时要求学生现场演示和答辩，提问并要求学生解释部分实验数据。目的是使能力培养回归到平时的实验过程，提高学生的责任感和学习的主动性。
通过大二时期的数电设计性实验训练，为学生在对课题的设计，电路的调试等方面打下了规范的和扎实的基础，在参加电子设计等竞赛时，学生在拿到课题先做什么，该做什么等一套规范的设计过程非常清楚，其优势就很明显的凸现出来。实验教学在培养学生实践能力和创新意识方面，有着其他教学环节不可取代的重要作用。设计性实验教学把理论、实验、探索有机的融合在一起，改善了教学的氛围，提高了学生的设计能力，使得学生在学习的同时，不但学习到了理论怎样应用于实际，重要的是学生参与了一次完整的研究过程，提高了学生的综合素质。
参考文献：
[1]电子信息科学与电气信息类平台课程教学基本要求[C].教育部电子信息科学与电气信息类基础课程教学指导分委员会.
[2]蔡京玫.项目教学法在在《网络编程》课程教学中的应用[J].电脑知识与技术，2011，（18）.
[3]曹中一.“三性”实验的内涵与特征[J].实验室研究与探索，2003，（8）.
[4]刘芳.浅谈数字电路实验教学中学生设计能力的培养[J].中国科技纵横，2010，（21）.
作者简介：何金儿（1953-），男，上海，华东师大信息学院通信系；刘一清，华东师大信息学院通信系系主任，教授级高级工程师。
