淺議“數字電路”課程設計的教學改革

孫磊　蔡鈞

摘 要： 數字電子技術是電子信息類專業的基礎課程之一。數字電路課程主要由理論課程、實驗課程、課程設計三部分構成。其中的課程設計具有綜合性和復雜性的特點，要求學生不僅充分掌握數電的基礎理論，還具備設計、開發、分析、調試電路的實踐能力。文章針對當前數電課程設計中存在的選題單一、設計時間短、設計輔助工作量大、考核方式不夠細化等問題，提出了一些改革建議，以期提高數電課程設計的教學質量，激發學生的學習熱情和創新力。

關鍵詞： 數字電子技術 課程設計 選題 考核方式

數字電子技術（下文簡稱“數字電路”或“數電”）是電子信息類專業的基礎課程之一，開設該課程的目的是讓學生掌握數字電子技術的基礎知識（包括數字器件的基本原理、性能、應用等），培養學生分析、設計數字電路和自行理解、使用新型數字器件的能力。為了達到數電課程的教學目的，一般高等院校都設置了課堂教學和實踐操作兩個環節。本文結合揚州大學信息工程學院數字電路的教學現狀，針對其中課程設計中出現的問題，提出了一些改革建議，提高數字電路的教學質量。

一、數字電子技術教學現狀及存在的問題

揚州大學信息工程學院的數電教學主要由理論課程（課堂教學）、實驗課程和課程設計三部分構成。其中，理論課程主要圍繞教材各部分章節的內容展開，教師通過板書、幻燈片等方式向學生傳授理論知識。課程的考核成績由平時和考試兩部分構成，采用百分制的量化方式。一般而言，理論課程是數電教學的重點，因此，不僅教師會花費大部分時間用于理論課程的備課、上課、布置和批改作業、輔導答疑等，學生也將時間主要用于預習、聽講、完成作業等理論課程項目。實驗課程屬于實踐操作環節，通常與各階段的理論課程相配套。學生在導師的指導下，通過親手做實驗，熟悉常用的數字集成芯片及相關實驗器材和儀器的操作，鞏固課堂所學知識。實驗考核主要依據學生的實驗操作情況，并參考預習、報告等，最終給予實驗成績（優秀、良好、中等、及格、不及格）。由于大部分實驗屬于驗證性質，即使涉及設計，其操作難度不大，因此學生能夠獨立完成。相對于數字電路的理論和實驗課程，課程設計目的是考查學生綜合利用理論知識進行復雜數字電路設計的能力。設計題目一般會涵蓋數電課程幾乎所有的重點內容，且最終的電路系統功能更多，規模更大，因此難度較大。

經過多年實踐，本院已形成了一套成熟的教學方案，用于理論課程和實驗課程。相較而言，課程設計具有綜合性和復雜性的特點，存在如下問題：（1）設計題目單一。本院的課程設計題目常年不變，內容缺乏新穎性，不利于開拓學生思維；（2）設計時間短。教師一般在實際設計前一周布置任務，因此學生的設計時間比較倉促，無法進行系統、細致的設計，可能導致一些設計錯誤；（3）實驗輔助工作量大。由于設計過程需要相關的實驗輔助（如更換器件、排查錯誤等），學生常常不能獨立解決，往往會求助于實驗師或導師。如果參與設計的學生人數過多，則教師的輔助工作量將會增加，甚至學生不能得到及時幫助；⑷考核方式不夠細化。由于學生的課程設計結果參差不齊，若采用類似于實驗成績評定的五級量化方法，則可能無法反映每個學生真實的實驗情況。

二、數字電路課程設計的改革建議

針對數字電路課程設計的若干問題，本文提出如下建議：

（一）建立設計題庫，學生自主選題。

近年來，本院數電教師一般選用“數字種”作為設計題目，即利用中小規模集成電路實現數字鐘的計時和顯示功能，另附加手動校時校分、周顯示、清零、整點報時這四項功能。該課題可以考查學生的綜合設計能力，難度適中。選用“數字鐘”的優點是指導教師已對設計的各環節非常熟悉，實驗準備便捷，流程可控。然而，缺點是課題本身比較乏味，若每年做此設計，則教師的思想有可能固化，學生也有機會偷懶而抄襲往屆的設計方案，最終導致課程設計的目的無法達到。因此，建議建立統一的課程設計題庫。題庫應包含多個與生活密切相關且富有意義的設計題目（比如“交通信號燈”、“汽車計費器”等）[1]，每個題目必須配備詳細的設計要求、參考設計方案和完整的評分標準。每年參加課程設計的學生可在題庫中進行自主選題。如此，教師和學生的思維將被激發，特別是學生，會針對新穎的題目提出創新的解決方案。另外，為了保證題庫質量，題庫除了需定期更新外，還要根據師生建議進行修改。

（二）子電路模塊化，融入日常教學。

課程設計一般安排在學期末，指導教師會在設計前一周利用兩節課時間講解課題，后由學生自行完成設計，繪制系統框圖和連線圖。理論的設計時間為一周，但由于接近學期末，學生可能忙于復習或參加考試，因此實際的設計時間并不充裕，甚至有點緊迫。在如此短的時間內，學生完成設計、制圖、連線、測試、差錯等的難度確實很大，在匆忙中出錯的概率也會大大增加。一種解決方法是降低設計題目的難度，但降低題目就減少了設計的綜合性特點，這與課程設計的初衷不符。考慮到課程設計的內容與理論教學、實驗課程密切相關，建議將設計中的子電路進行模塊化處理，將各子電路的設計安排至平時作業和實驗中。例如，“數字鐘”中需要的60進制、24進制計數的實現方案可布置為課后作業，同時在實驗課程中安排學生完成。這樣就使得設計的相關內容提前融入到基礎階段的學習中。學生可以提前進行思考和設計，大大節省了期末的設計時間，提高了設計效率。節省出的時間可用于方法的改進和創新等。

（三）制定實驗規則，科學輔助設計。

課程設計的實驗過程涉及了實驗器件和工具的準備、發放、回收等步驟。為了能夠保證設計順利進行，往往需要指導老師、實驗師、學生、班委的多方協作，制定一套科學有效的實驗操作規則。如果規則制定或執行不當，就出現器件浪費、設計效率低下、實驗師工作負荷增加等問題。建議由導師負責整個設計規則的統籌規劃，同時與實驗師、班委進行協調。具體措施分為設計前、設計中、設計后三個階段。設計前，導師計劃好設計時間，提前與實驗師聯系，討論實驗的分組、器件數量、發放規則等，之后讓班委通知學生做好劃分小組、設計準備、了解實驗操作規則等工作。設計中，由班委負責分配器件和元件，導師和實驗師巡查實驗，幫助學生解決棘手的實驗問題[2]。對常見問題要進行歸納總結，播放在投影儀上供學生參考。設計完成后，再由班委收集好實驗器件，統一交給實驗師，完成回收。另外，實驗師要負責檢查實驗設備，更換問題設備。所有約定好的實驗操作規則必須嚴格執行，保證實驗的順利進行。

（四）采用細化標準，科學評價設計。

類似于實驗課程，傳統的課程設計大多采用優秀、良好、中等、及格、不及格的五級評價體系。但由于課程設計具有綜合性和復雜性的特點，學生完成設計的程度大不相同，因此五級評價方式不能細致反映設計的實際情況。為了解決這一問題，本文以數字鐘的考核為例，介紹一套基于百分制量化的細化標準，對學生的課程設計進行考核評價。此套評分標準由三部分構成：

1.基本分數（Basic score，BS）。基本分數分為五檔，分別是0檔、1檔（60分）、2檔（70分）、3檔（80分）、4檔（90分）。

補充說明：（1） 對于劃分為0檔的學生，需要酌情給分。比如，學生只要完成時、分、秒顯示三項中的任一項，即增加20分；（2） 對于某個附加功能完成不全的學生，同樣需要酌情給分。例如，若學生已完成1檔的功能要求，但在某一附加項目（如手動校時校分）上只完成校時功能。在這種情況下，該生在該檔次的得分可為65分（60+5），即不完全滿足該檔的得分要求時，需根據情況適當扣分。

2.時間附加分（Additional score，AS）。考慮到學生完成設計的時間有快有慢，在完成相同功能的基礎上，越快完成的學生理應獲得更高的分數。因此，我們根據完成時間給予學生0～9分的時間附加分，給分規則如下：

（1）只有已完成1檔功能的學生才有獲得時間附加分的資格。

（2）時間附加分的計算方法是：根據基本功能的完成時間，對所有符合資格的學生進行排序（由快到慢），后將已排順序學生均分為10組，每組學生獲得相同加分。其中，0組對應于完成最快的學生，給附加分9分；1組其次，但附加分減為8分；依次類推，第9組附加分為0。

（3）要求：人數 > 分組數。

3.報告修正分（Correction score，CS）。課程設計報告是對課程設計的要求、設計方案、問題解決等方面的匯總，完成報告是畢業設計合格的必要條件，即學生如果沒有提交報告，則最后總分為0。報告有其規范性，如內容完整（包含封面、目錄、參考文獻等）、版面條理、清楚、整齊、字跡工整、作圖清晰、正確、結果分析可靠等。教師主要依據這些規范給予報告修正分。如果沒有違反任何規范，則不扣分，CS記為0。如果違反相關規范，則酌情扣分。因此，CS為負數。

綜合基本分數、時間附加分和報告修正分，一個學生最終的設計成績（Final score，FS）可由以下公式計算得到：

FS=BS+AS+CS

三、結語

數字電路課程設計教學質量的優劣與指導教師、學生、實驗師、硬件環境等多種因素有關。既有客觀條件的約束，又有主觀方面的原因。本文針對數電課程設計的實際問題，提出了一些改革建議，其中一些方案具有普遍適用性，可供其他院校參考。本文通過科學的分析與討論，提出了可行的改革方案，以提高數字電路課程的教學質量，培養學生的學習熱情和創新力。

參考文獻：

[1]宋偉，朱幼蓮.“數字電路”課程設計教學改革探索[J].江蘇常州：江蘇技術師范學院學報，2011（8）：70-73.

[2]莫琳.數字電路課程設計實驗教學改革的探索與實踐[J].北京：中國電力教育，2013（14）：122-123.