面向创新能力培养的“电子技术基础实验”课程改革-以“n进制计数器的设计与制作”为例

引言实验课程教学是学校实施高等工程教育、培养学生实践创新能力的重要途径。“电子技术基础实验”课程的目标是使学生具有深厚的理论基础，同时培养学生具有较强的实际动手能力［1］。目前大多电子技术实验为验证性的，实验内容缺少自主设计的环节［2］。验证性实验虽然能让学生容易掌握所学理论知识，但是难以培养学生发现、分析和解决问题的能力。目前大多高校在教学中仍然采用以教师依靠PPT和板书讲授知识为主，学生处于被动接受倾听的传统教学模式，课堂缺乏互动性，这种方式压抑了学生的主观能动性和独立思维［3］。为适应新工科对高等工程教育发展和工程科技人才培养的要求，需要加强理论教学与实践教学的结合，发挥学生的主观能动性，培养学生的实践能力和创新精神［4］。有必要进一步加强模拟电子技术实验教学对大学生创新能力培养的作用，通过自主研发实验项目、创新改革实验内容，达到理论与实践相互驱动、相互补充的良好效果。为满足不同能力层次学生的需求，使学有余力的学生可以选择更高难度的实验项目，激发学生的积极性［5］，将实验项目分为不同类型，包括基础验证型、进阶设计型、拔高综合型等实验项目。本文以综合性实验项目“n进制计数器的设计与制作”为例，展示课程改革实施方案对培养学生创新能力的作用。一、当前“电子技术基础实验”教学概况当前实验一般是以电子技术理论课程为基础选定相应的实验内容，其创新性不强，难以发挥主观能动性，难以培养学生的创新能力和实践能力。实验教学项目设置零散，以关键知识点的验证性实验居多，设计性实验与工程实际应用结合较少［6］，不利于激发学生的学习兴趣。为适应新工科发展的高素质工程科技人才培养要求，实验教学过程需要从知识传授转变为问题解决与能力培养。因此，本文将进一步探索新工科发展下学生主动学习能力和实践创新能力的培养。二、“n进制计数器的设计与制作”实验课程改革（一）实验引入与课程思政教学引导学生运用数电专业知识来解决实际问题，实验内容选题要贴近生活，激发学生的兴趣，培养学生的综合实验能力及创新能力，使学生掌握数字逻辑的基本理论，能够运用基本理论分析和设计数字电路。综合灵活运用所学知识，使学生具备一定的解决复杂问题的能力，以及复杂数字电子系统分析、设计、仿真、制作和测试的能力，并建立正确的工程和实践观念。计数器，特别是倒计时计数器在日常生活和国家重大历史事件中都扮演着重要角色，结合课程思政元素，引入课程思政教学，引导学生要珍惜时间，诚信守时；在讲述计数器的内部结构时，引入“澳门回归”“双奥之城”等计时元素，培养学生的爱国主义情怀和社会责任感；在学生学习定时器编程应用时，强调要一丝不苟，培养学生精益求精的大国工匠精神。进而从数字钟引申到北斗导航卫星，我国已成为第三个拥有全球卫星导航系统的国家，增强学生的民族自信，激发学生科技创新报国的家国情怀和使命担当。（二）面向创新能力培养的个性化实验设计n进制计数器实验的过程是一个完整的工程实验过程，包括学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等。计数器系统一般由时钟发生模块、分频模块、计数模块、反馈模块、显示模块构成［7］。如图1所示，首先明确项目设计思想及各模块的功能分析，如计数器时钟可基于555的时基电路设计，计数功能可根据设计要求选择计数芯片和技术路线，而显示功能则可基于CD4511的数码显示电路来实现。在此基础上明确核心电路设计要点，掌握主要原理，如图2所示。图1计数器电路系统功能设计图2时钟电路发生图电容C1通过R1、R2充电至1/3Vcc后，进入正常的工作流程。由于C1连接到了Trigger脚，C1继续通过R1、R2充电，直到C1的电压达到2/3Vcc。C1从1/3Vcc充电至2/3Vcc的时间即为充电时间，公式为t1=0.693·（R1+R2）·C1。C1达到2/3Vcc后，C1无法继续充电，而是经由R2放电，直到C1电压达到1/3Vcc为止。这段放电时间的公式为t2=0.693·R2·C1。C1电压低于1/3Vcc后，触发2脚Trigger，从而3脚输出变成高电平，7脚变成高阻态，返回上述第2步。因此我们可以得出以下公式实验的重点和难点在于复位和置数及同步清零和异步清零设计［8］，如图3所示。图3同步置数和异步清理的方法引入具有灵活性和个性化的实验环节，实验内容及设计要求利用反馈清零法或预置数法用2片74LS161芯片设计两位十进制计数器，实验时以所用器件（芯片）最少为最优方案。课程项目改革采用阶梯式设计，基本型完成0至99计数、进阶型完成n至m的加计数或减计数、高阶型通过FPGA实现计数。根据项目需求设计不同层次的实验任务，包括掌握反馈清零法或预置数法的计数设置、同步异步清零的区别、通过冗余法处理竞争冒险、掌握复杂数字电路的组装方法等。进阶要求则随堂给定进制现场实现，基于FPGA完成n进制计数器的设计与制作。根据学生能力表现，对学有余力的学生引入VerilogHDL语言，用多种手段、多种芯片实现实验目标［9］。对于优秀的学生和作品，鼓励学生参加科技竞赛或发表科技论文，助力人才培养与选拔。（三）虚实结合的实验教学实施过程教学实施过程包括预习、预约、上课、提交报告等部分。登录预习考试平台完成题库自学后参加预习考试，通过考试熟悉实验注意事项，通过了解学生预习掌握情况，再有针对性地加以指导。公布实验室开放时间，学生根据自己的时间灵活选择。做好预习报告，按预约的时间到实验室，测试各分立器件，测试各仪器的工作状态。查阅74××160/1，90，192，48等集成计数器的相关资料，熟悉计数器芯片的逻辑及管脚定义，弄清芯片的功能区别。根据实验要求在multisim中设计相关逻辑，可以在软件中用不同芯片设计出不同的解决方案。按仿真结果利用飞线搭建实验电路。在数码管上显示预期实验效果，验证设计成功与否。如果出现故障，使用逻辑笔探查故障点并排除。实验结束要求能够完整撰写设计实验报告，并完成相关思考题。三、实验课程改革效果与特色按照工程认证的模式，从选题、设计、制作和检查等方面指导学生完成实验项目。通过实际生活实例，培养学生的实验能力和技术的创新应用能力。通过进阶性的项目实验设计，一人一组，一人一题，满足不同基础学生的实验需求，全覆盖考查不同学生的能力。学生可根据自身情况选择自己实验的参数，现场设计并调试实现。结合项目作品难度系数、项目作品完成的质量和时间以及创新性及能力的体现综合评价，教师在此过程中提供适当指导。建立多元化的课程考核体系，实现重过程、轻结果的教学目的。同时，实验项目拥有充足的数字化资源，能随时完成虚实结合、线上线下的切换。通过个性化进阶实验设计，助力人才选拔，鼓励学生参加科技竞赛或发表科技论文。用工程认证的思维经过随机抽样统计，顺利达成教学目标，如图4所示。图4实验考核评分部分以及创新能力培养教学目标结语为提高新工科背景下大学生的实验创新能力，需对“电子技术基础实验”课程实验进行改革创新，论文通过相关探索与研究并取得了较好效果。以“n进制计数器的设计与制作”课程为例，促使学生结合生活实