電子技術實驗教學的研究與實踐

盧東興

(肇慶學院電子與電氣工程學院 廣東肇慶 526061)

1 電子技術實驗教學改革的意義

實踐教學一直是教學工作中的薄弱環節，特別是自高等教育大眾化以來，社會各界要求提高大學生實踐能力水平的呼聲越來越強烈，引起了教育部等相關部門的高度重視。2018年教育部發布的《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》，強調了本科教學的首要原則：突出學生中心，注重激發學生的學習興趣和潛能，創新形式、改革教法、強化實踐[1]。教育部的“新工科”計劃，旨在通過建立一體化的相互支撐和有機聯系的課程體系，培養學生的實踐創新能力和適應變化能力[2]。目前，筆者所在學校正以新工科、新農科、新文科建設為引領，努力推進建設新時代特色鮮明的高水平應用型大學，加強實踐教學更是刻不容緩。

當今社會電子技術發展日新月異，尤其是集成電路技術的進步與應用，其更新速度較快，傳統的電子技術課程的教學已經不能適應社會的需求。電子技術課程的教學必然要做出調整。一方面，社會對工科學生的專業修養提出了更高的要求，實踐能力與創新能力成為社會的必然需求；另一方面，大規模集成電路得到廣泛應用，軟件仿真代替了傳統方式下的電路調試，在改變人們對電子技術的理解模式的同時，為電子產品更快完成設計爭取了寶貴的時間。

2 電子技術實驗教學改革面臨的問題

近年來，雖然筆者所在學校加大了實驗室建設經費的投入力度，但由于歷史的原因、設備的限制以及師資條件，目前能進行電子技術相關實驗大多是驗證性實驗，只有一小部分是綜合性和設計性實驗，實驗內容偏少偏簡單。另外，單片機、可編程邏輯器件及編程技術、嵌入式系統等電子專業實驗課程知識框架陳舊，學生的專業知識難以支撐崗位需求，培養出的人才不符合現實社會需求，實驗效果不佳，學生興趣也不高[3]。

電子技術實驗項目中，無論是模擬電路實驗部分，還是數字電路實驗部分，目前都存在很多耗時費力且難以得到正確結果的實驗項目。在模擬電路實驗項目中，采用分立元件搭建電路，電路搭建難度大，而且極易引入干擾，對信號源、測試設備、電源以及電路的布局都要求很高，實驗效果普遍較差。數字電路實驗項目中，雖然以邏輯芯片為主，但是往往連線眾多，實驗過程中學生需要耗費大量的時間進行接線，分析設計的時間反而少了。一個實驗做下來，老師和學生都很忙，但其實學生學到的東西以及得到的鍛煉并不多。

傳統的實驗教學模式一般按照如下程序進行：實驗老師發布實驗內容，實驗演示并講解實驗原理，學生模仿操作并記錄實驗數據，課后分析實驗結果和撰寫實驗報告。這種模式不利于激發學生的主動性和積極性，實踐能力和創新能力鍛煉均不足，僅僅是完成課程的基本任務，難以培養出高水平應用型人才。

2020 年以來，由于疫情的原因，既要避免聚集性傳播，又要保障學生實踐能力的鍛煉，眾多高校都在探索各種實驗教學模式。有視頻會議方式的，有結合仿真實驗方式的，也有在線實驗方式的。這些方式具有自己的優點，也存在一些缺點。視頻會議方式要求具有很好的網絡環境，以老師的演示方式完成實驗教學，學生的實驗過程和實驗效果難以及時得到反饋。若加上虛擬仿真實驗，則往往要求各個學生都安裝虛擬仿真軟件，學生也是缺乏實操的動手機會。基于在線實驗平臺開展實驗教學，學生遠程操作實驗設備，實驗環境更接近真實實驗環境，但是相對來說建設投入較大。

3 電子技術實驗教學改革的措施

電子技術實驗教學改革是一個系統的工程，除了要在教學內容和方法進行改革之外，對培養方案和師資力量方面也提出了新的要求，需要在教學環境、教學場所和教學設備上有配套的建設方案。為了適應電子技術實驗教學改革的需要，更好地提高學生的實踐動手能力，該課題參照國內兄弟院校的做法，進行了一些探索。

3.1 實驗教學內容和方法的改革

電子技術實驗教學改革要切合學生實際，跟隨教學進度，為后續課程打下堅實的基礎，同時適量從深度和廣度上擴展學生的視野，盡最大能力提高學生的實踐能力和創新能力，滿足社會對學生應具有的工程師素養的要求。基于這樣的思路，近年來，該課題在教學內容和教學方法的改革等方面進行了一些探索，并取得了一些成果。

3.1.1 增設綜合性實驗和設計性實驗

科學技術是第一生產力的論斷已被廣大人民群眾所接受。大學生是未來科技工作的主力軍，培養大學生的科技創新能力是十分重要的。實驗教學是高校本科教學工作的重要組成部分，是培養學生動手能力、創新意識和創新精神的重要手段，而實驗教學內容中的綜合性、設計性實驗則是培養學生專業綜合素質、解決實際問題的重要途徑。

由于課時有限，對一些旨在加深課程內容理解且實現簡單的驗證性實驗，該課題的方法是讓學生在課后以開放實驗的形式獨立完成，并加強課后答疑和輔導。在實驗課中，增加一些綜合性實驗和設計性實驗項目，重點培養和鍛煉學生的獨立思考能力和創新能力。

3.1.2 引入計算機虛擬仿真實驗

電子技術實驗教學方法及手段的常規做法是利用常用電子儀器和基本測量方法，對簡單的電路進行測試和分析。但由于受環境、儀器和元器件的限制，稍微復雜一點的實驗費時費力，效果也不理想。傳統的實驗教學模式是由教師先進行講授和實驗操作示范，實驗方案、操作步驟都被老師安排得清清楚楚，學生在實驗過程中只需按照程序操作，按照老師的指導機械地驗證最終的實驗結果[4]。整個過程中，學生是被動地接受、機械地模仿，主體地位未得到充分體現[5]。部分學生在實驗過程中甚至不明白自己在干什么，每一步究竟是為了什么，所得到的參數究竟代表什么，在課后寫實驗報告時才會結合所學知識對數據進行回憶式分析，而實驗過程中出現的問題則會忽略，達不到實驗課程預期的培養效果。

該課題要求學生首先要借助Multisim 或Quartus等EDA 軟件完成虛擬仿真實驗，得到正確的實驗結果，然后再到實驗室開展實操實驗。這樣的實驗方式不但實驗的效率得到提高，也有利于鍛煉學生的自主學習能力。在設計出電路后先用計算機仿真驗證實驗結果，結果正確后再搭建電路，這也是現代電子產品設計的常規步驟，有利于提高電子產品開發的效率。

3.1.3 增加基于集成電路的模擬電路實驗項目

為了體現適合我國情況的先進性，除了保留少量的分立元件實驗項目外，該課題刪減了一些已過時的內容，比如阻容耦合電壓放大電路實驗、變壓器耦合功率放大電路實驗、由分立元件組成的放大電路設計等，在基本放大電路實驗、負反饋放大電路實驗、信號的運算和處理實驗、波形的發生和信號的轉換實驗、穩壓電源實驗等實驗項目中主要以集成運算放大器、集成比較器、集成三端穩壓器構成電路。這樣的電路結構，適應了電子技術發展的潮流，而且學生普遍反映容易理解，實驗成功率高，效果良好。

3.1.4 引入基于可編程邏輯器件的數字電路實驗

傳統的數字電路設計方法，基于“中小規模集成電路+連線”的電路方式，僅適用于低速和簡單的數字電路設計，存在效率低、可靠性差、實現功能有限等問題，無法適應現代數字電路的開發。

現代數字電路設計技術是從傳統的數字電路設計技術發展而來的，它利用VHDL 語言開發設計硬件是硬件設計方法的一次重大進步，打破了硬件設計和軟件設計的界線，我們只需完成對邏輯功能的描述，就可借助軟件進行處理生成硬件電路，修改電路只需修改邏輯功能描述，就像修改軟件一樣方便。基于大規模集成電路，即可編程邏輯器件的設計不僅使設計的過程得以簡化，而且電路的功能和可靠性也大大提高了，其是目前數字系統設計的主流，是現行工程實踐的需求。EDA技術已成為現代電子工程師所必須具備的技能。該課題在數字電路實驗教學中引入可編程邏輯技術，開展硬件實驗與EDA軟件相結合的新型實驗教學模式[6]，能讓學生盡快跟上最新電子技術的潮流，也為后續課程打下基礎。

對于兩年一度的全國大學生電子設計競賽，讓學生盡快接觸可編程邏輯技術也顯得十分必要。全國大學生電子設計競賽目的在于推動高等學校對信息與電子類學科課程體系和課程內容的改革，有助于學生工程實踐素質的培養、提高學生創新能力和協助精神，和利用課堂所學基本理論基本技能解決實際問題的能力。競賽題目以電子電路（含模擬和數字電路）應用設計為主要內容，可以涉及模-數混合電路、單片機、可編程邏輯器件、EDA 軟件工具和PC 機的應用，具有綜合性、創新性和現實意義。由此可見，掌握可編程邏輯技術，對參加全國大學生電子競賽必不可少。通過對電子技術課程的改革，學生能更早接觸可編程邏輯技術，并有盡量多的時間進行深入的學習和實踐的鍛煉。該課題分析研究了部分全國大學生電子設計競賽題目，將其分解為若干模塊作為設計課題，讓學有余力的學生課外實現。這些設計課題是課堂教學內容有益的擴充，為有意于參加全國大學生電子設計競賽的學生打下堅實的基礎。

3.1.5 注重實驗項目的可延伸性和拓展性

電子信息類專業開出的電路分析基礎、電子技術、單片機技術、EDA 技術、SOC 技術、嵌入式系統等具有較大相關性的課程為一個課程系列有機體。電子技術課程的教學要兼顧其后續課程的銜接，包括基礎知識的銜接、實驗內容的過渡、設計項目的可延伸性，以及對創新能力培養的鋪墊等，盡可能為后續課程營造良好的接口。同樣是交通燈控制，可以用中小規模數字電路實現，也可以用單片機或可編程邏輯器件等實現，實現的方式不一樣，效果也就不一樣。又如可調穩壓電源，調節方式可以是電位器手動調節，也可以是數控調節，兩種方式的精度不可同日而語。該課題在設置實驗項目的時候，除了給出基本的實驗內容外，還指出一些拓展方向，供學有余力的學生自主去探索，去實踐。雖然后續有EDA技術等課程，但是仍然在數字電路實驗中讓學生提前接觸先進的EDA技術，一個目的是為后續課程打下堅實的基礎，另一個目的是讓學生能有更多的時間為參加全國大學生電子設計競賽做知識的儲備。

3.2 培養方案上的改革措施

在培養方案上，傳統的方案將數字電路課程放到電路分析基礎和模擬電路課程后面，導致學生在面對大量基于數字技術的后續課程（如EDA、微機接口、DSP、ARM 等）時，表現得起點過低，導致學習效率低，實踐能力的提高困難。到畢業時，大量課程都沒能達到預定的學習效果。

筆者認為，作為電子信息類專業培養方案中自主創新意識的啟蒙課程，必須將數字電路課程提前，并縮短理論授課課時及增加實驗課課時，提高綜合性和設計性實驗項目的比例，提高基于現代電子技術的自動化設計實驗的比例，強化學生的自主、研究與合作式學習，在數字電路的基礎理論、實踐能力和創新精神這三方面著力，為學生后續課程的學習打下堅實的基礎，讓其有能力提早進入課外科技活動，并提高就業率、就業質量和考研通過率。

3.3 師資方面的改革措施

現代電子技術日新月異，一日千里，高校教師作為學生學習知識的引路人，首先要跟上時代步伐，不斷更新自己的知識結構，在教學內容和教學方法上不斷創新，才能培養出適應社會需求的大學生。

為了提高實驗教學的質量，須加大力度引入高學歷的教師從事實驗教學，努力引進有工程背景的雙師型教師，鼓勵教師參加教學比賽、創建精品課程，并通過進修、參觀、交流、帶學生開展課外科技活動、下企業幫扶、當科技特派員等措施提升自己的知識水平和教學水平。

3.4 實驗室建設方面的改革措施

實驗室建設是實驗教學得以開展的基礎。為提供更好的實驗教學條件，除了努力爭取實驗室建設經費外，還可以借助學科專業建設、沖補強提升計劃、提毛工程、教科研項目、校企共建等機會改善實驗室條件，以及借助開展線上線下混合教學、虛擬仿真實驗等方式減輕實驗室壓力。

具體到電子技術實驗，很多電子技術基礎實驗采用在綜合實驗臺或實驗箱上接插電路模塊的形式進行實驗，優點是簡單方便，缺點是接線困難，不利于更改電路，不利于學生分析思考和實踐能力的鍛煉，同時電路設計固定落后，跟不上時代的潮流。

基于上述改革思路，在現代電子技術實驗室里，學生須完成電子技術的基礎實驗，也要進行一系列復雜的綜合性和設計性實驗。既要進行硬件電路的搭建實驗，也要通過EDA軟件進行電路的開發實驗。現代電子技術實驗室除了配置電源、信號源、萬用表、毫伏表、示波器、面包板等常規的實驗設備之外，還需配置一些開發板和計算機，并安裝常用的電子設計和仿真軟件[7]。也可以在常規的電子技術實驗室旁邊設置電子設計自動化實驗室，采用計算機+開發板或實驗箱的方式。大部分仿真實驗由學生在課余時間完成，到實驗室完成的工作主要是電路組裝、上機調試和驗證。

常規的電子設計自動化實驗室采用的是計算機+開發板或實驗箱的模式。這種方式一則昂貴的開發板或實驗箱容易損壞，難以管理，二則受實驗場所和時間限制，限制了學生實驗的機會。筆者所在學院在配置了計算機+開發板的基礎上，還配置了FPGA在線實驗平臺。FPGA 在線實驗平臺不同于單純的虛擬仿真實驗，學生操作的是真實的硬件設備，學生也能得到硬件設備的反饋信息。FPGA 在線實驗平臺的好處顯而易見。通過FPGA 在線實驗平臺對開發板統一管理，解決現場實驗易造成開發板損傷、短路、丟失的難題，讓老師從開發板管理、回收、發放的繁瑣工作，以及實驗過程監控、實驗結果評測和學生實驗管理中解脫出來，同時學生可以隨時隨地在線訪問實驗資源做實驗，既克服疫情期間集中實驗的難題，也為學生實驗和老師的管理工作提供了便利。

筆者所在學院成立了學生創新實踐基地，主要用于學有余力的學生課外開展科研、競賽等實踐活動，也可以作為畢業設計和課程設計的場所。學生創新實踐基地為完全開放的實驗室，配置有常規的實驗儀器，還設置了元器件庫，為學生提供常規的元器件、工具及開發板。依托學生創新實踐基地，筆者所在學院組織了學生科研團隊，配置了指導老師和管理老師，組織學生開展了“手把手教你焊電路”、“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽、廣東省工科大學生實驗綜合技能競賽、廣東省以及全國大學生電子設計競賽等一系列的課外實踐活動，并取得較好的成績。以賽促學，以賽促建，不僅培養了一批專業能力強的應用型綜合性人才，而且也進一步提高了人才培養質量。

4 結語

通過多年來對電子技術實驗教學的研究，該課題在教學內容、教學方法和教學的手段，以及師資力量的培養和實驗室的建設等方面進行了有益的探索，并取得了一系列的成果。大量的學生提高了實踐動手能力和創新能力，為后續課程的學習和參加各種電子設計競賽，以及將來走向工作崗位都打下了堅實的基礎。相關老師在實驗教學改革中更新了知識結構，緊跟時代潮流，教學能力和教學積極性也得到了提高。