面向創新能力培養的“電子技術基礎實驗”課程改革
——以“n進制計數器的設計與制作”為例

劉 娟，張家亮，羅 強

（武漢理工大學 信息工程學院，湖北 武漢 430070）

引言

實驗課程教學是學校實施高等工程教育、培養學生實踐創新能力的重要途徑。“電子技術基礎實驗”課程的目標是使學生具有深厚的理論基礎，同時培養學生具有較強的實際動手能力［1］。目前大多電子技術實驗為驗證性的，實驗內容缺少自主設計的環節［2］。驗證性實驗雖然能讓學生容易掌握所學理論知識，但是難以培養學生發現、分析和解決問題的能力。目前大多高校在教學中仍然采用以教師依靠PPT和板書講授知識為主，學生處于被動接受傾聽的傳統教學模式，課堂缺乏互動性，這種方式壓抑了學生的主觀能動性和獨立思維［3］。

為適應新工科對高等工程教育發展和工程科技人才培養的要求，需要加強理論教學與實踐教學的結合，發揮學生的主觀能動性，培養學生的實踐能力和創新精神［4］。有必要進一步加強模擬電子技術實驗教學對大學生創新能力培養的作用，通過自主研發實驗項目、創新改革實驗內容，達到理論與實踐相互驅動、相互補充的良好效果。為滿足不同能力層次學生的需求，使學有余力的學生可以選擇更高難度的實驗項目，激發學生的積極性［5］，將實驗項目分為不同類型，包括基礎驗證型、進階設計型、拔高綜合型等實驗項目。本文以綜合性實驗項目“n進制計數器的設計與制作”為例，展示課程改革實施方案對培養學生創新能力的作用。

一、當前“電子技術基礎實驗”教學概況

當前實驗一般是以電子技術理論課程為基礎選定相應的實驗內容，其創新性不強，難以發揮主觀能動性，難以培養學生的創新能力和實踐能力。實驗教學項目設置零散，以關鍵知識點的驗證性實驗居多，設計性實驗與工程實際應用結合較少［6］，不利于激發學生的學習興趣。為適應新工科發展的高素質工程科技人才培養要求，實驗教學過程需要從知識傳授轉變為問題解決與能力培養。因此，本文將進一步探索新工科發展下學生主動學習能力和實踐創新能力的培養。

二、“n進制計數器的設計與制作”實驗課程改革

（一）實驗引入與課程思政教學

引導學生運用數電專業知識來解決實際問題，實驗內容選題要貼近生活，激發學生的興趣，培養學生的綜合實驗能力及創新能力，使學生掌握數字邏輯的基本理論，能夠運用基本理論分析和設計數字電路。綜合靈活運用所學知識，使學生具備一定的解決復雜問題的能力，以及復雜數字電子系統分析、設計、仿真、制作和測試的能力，并建立正確的工程和實踐觀念。

計數器，特別是倒計時計數器在日常生活和國家重大歷史事件中都扮演著重要角色，結合課程思政元素，引入課程思政教學，引導學生要珍惜時間，誠信守時；在講述計數器的內部結構時，引入“澳門回歸”“雙奧之城”等計時元素，培養學生的愛國主義情懷和社會責任感；在學生學習定時器編程應用時，強調要一絲不茍，培養學生精益求精的大國工匠精神。進而從數字鐘引申到北斗導航衛星，我國已成為第三個擁有全球衛星導航系統的國家，增強學生的民族自信，激發學生科技創新報國的家國情懷和使命擔當。

（二）面向創新能力培養的個性化實驗設計

n進制計數器實驗的過程是一個完整的工程實驗過程，包括學習研究、方案論證、系統設計、實現調試、測試標定、設計總結等。計數器系統一般由時鐘發生模塊、分頻模塊、計數模塊、反饋模塊、顯示模塊構成［7］。如圖1所示，首先明確項目設計思想及各模塊的功能分析，如計數器時鐘可基于555的時基電路設計，計數功能可根據設計要求選擇計數芯片和技術路線，而顯示功能則可基于CD4511的數碼顯示電路來實現。在此基礎上明確核心電路設計要點，掌握主要原理，如圖2所示。

圖1 計數器電路系統功能設計

圖2 時鐘電路發生圖

電容C1通過R1、R2充電至1/3 Vcc后，進入正常的工作流程。由于C1連接到了Trigger腳，C1繼續通過R1、R2充電，直到C1的電壓達到2/3 Vcc。C1從1/3 Vcc充電至2/3 Vcc的時間即為充電時間，公 式為t1=0.693·（R1+R2）·C1。C1達到2/3 Vcc后，C1無法繼續充電，而是經由R2放電，直到C1電壓達到1/3 Vcc為止。這段放電時間的公式為t2=0.693·R2·C1。C1電壓低于1/3 Vcc后，觸發2腳Trigger，從而3腳輸出變成高電平，7腳變成高阻態，返回上述第2步。因此我們可以得出以下公式

實驗的重點和難點在于復位和置數及同步清零和異步清零設計［8］，如圖3所示。

圖3 同步置數和異步清理的方法

引入具有靈活性和個性化的實驗環節，實驗內容及設計要求利用反饋清零法或預置數法用2片74LS161芯片設計兩位十進制計數器，實驗時以所用器件（芯片）最少為最優方案。課程項目改革采用階梯式設計，基本型完成0至99計數、進階型完成n至m的加計數或減計數、高階型通過FPGA實現計數。

根據項目需求設計不同層次的實驗任務，包括掌握反饋清零法或預置數法的計數設置、同步異步清零的區別、通過冗余法處理競爭冒險、掌握復雜數字電路的組裝方法等。進階要求則隨堂給定進制現場實現，基于FPGA完成n進制計數器的設計與制作。根據學生能力表現，對學有余力的學生引入Verilog HDL語言，用多種手段、多種芯片實現實驗目標［9］。對于優秀的學生和作品，鼓勵學生參加科技競賽或發表科技論文，助力人才培養與選拔。

（三）虛實結合的實驗教學實施過程

教學實施過程包括預習、預約、上課、提交報告等部分。登錄預習考試平臺完成題庫自學后參加預習考試，通過考試熟悉實驗注意事項，通過了解學生預習掌握情況，再有針對性地加以指導。公布實驗室開放時間，學生根據自己的時間靈活選擇。做好預習報告，按預約的時間到實驗室，測試各分立器件，測試各儀器的工作狀態。

查閱74××160/1，90，192，48等集成計數器的相關資料，熟悉計數器芯片的邏輯及管腳定義，弄清芯片的功能區別。根據實驗要求在multisim中設計相關邏輯，可以在軟件中用不同芯片設計出不同的解決方案。按仿真結果利用飛線搭建實驗電路。在數碼管上顯示預期實驗效果，驗證設計成功與否。如果出現故障，使用邏輯筆探查故障點并排除。實驗結束要求能夠完整撰寫設計實驗報告，并完成相關思考題。

三、實驗課程改革效果與特色

按照工程認證的模式，從選題、設計、制作和檢查等方面指導學生完成實驗項目。通過實際生活實例，培養學生的實驗能力和技術的創新應用能力。通過進階性的項目實驗設計，一人一組，一人一題，滿足不同基礎學生的實驗需求，全覆蓋考查不同學生的能力。學生可根據自身情況選擇自己實驗的參數，現場設計并調試實現。結合項目作品難度系數、項目作品完成的質量和時間以及創新性及能力的體現綜合評價，教師在此過程中提供適當指導。建立多元化的課程考核體系，實現重過程、輕結果的教學目的。同時，實驗項目擁有充足的數字化資源，能隨時完成虛實結合、線上線下的切換。通過個性化進階實驗設計，助力人才選拔，鼓勵學生參加科技競賽或發表科技論文。用工程認證的思維經過隨機抽樣統計，順利達成教學目標，如圖4所示。

圖4 實驗考核評分部分以及創新能力培養教學目標

結語

為提高新工科背景下大學生的實驗創新能力，需對“電子技術基礎實驗”課程實驗進行改革創新，論文通過相關探索與研究并取得了較好效果。以“n進制計數器的設計與制作”課程為例，促使學生結合生活實例完成一個設計類實驗項目，培養學生的創新能力和應用能力。改革后設置更多的設計性實驗項目，使得實驗具有進階性，可以在完成基本實驗任務的前提下，根據實際需要變換不同的實驗參數以考核不同基礎水平學生。改革后的“電子技術基礎實驗”課程內容的研究性、綜合性大大加強，對學生的創新能力培養和綜合素質的提高發揮了積極作用。