數字電子技術實驗“四融合”教學模式改革探索

摘要：針對當前實驗教學存在學生實踐能力不足和創新精神淡薄的問題，以培養實踐創新能力為目標，構建“思政元素+工程案例+學科競賽+大創項目”融入實驗教學的教學模式，采取競賽、項目研究的教學方式對數字電子技術實驗實施教學改革。借助競賽和項目研究促進多課程知識綜合應用，實現課堂實驗教學與課外工程實踐有效銜接。結合實驗教學搭建實踐基地，引導學生積極參加專業創新實踐，強化了學生的實踐創新能力，增強了創新精神。改革實踐對工科專業應用型人才培養具有借鑒意義。

關鍵詞：實踐創新；思政元素；學科競賽；項目研究

中圖分類號：F2"""""" 文獻標識碼：A""""" doi：10.19311/j.cnki.16723198.2025.14.013

1 教學改革背景

為了推動工程教育改革創新，教育部大力推動“新工科建設”。在具體實踐中，“以學生為中心，強化實踐創新能力、面向產業發展，復雜工程問題融入教學”成為工程人才培養的共性要求[1]。實驗教學作為培養學生實踐能力的重要環節，是工程教育“吸收新技術、滿足新需求”的落地抓手[2]，其實驗內容應基于理論教學并貼合工程實踐，給學生留下獨立思考的空間，激發學生動手實踐的欲望，培養學生分析和解決問題的能力。

數字電子技術實驗作為電氣、電子專業的專業基礎必修課程，是理論與工程實踐的橋梁，其實驗教學通常依據理論教學確立基礎驗證型和綜合設計型實驗，采取課堂實驗的方式開展教學，要求學生掌握基本理論知識，熟悉實驗儀器使用方法，設計并搭建電路進行測試，記錄實驗數據并進行誤差分析，問題處理等[34]。這種以理論知識驗證為目的教學方式，其課外工程實踐融入實驗教學的路徑不清、力度不夠，學生在實驗環節未能將理論知識進行系統有效的拓展應用，導致學生所學知識片段化，缺乏自主探究能力和工程實踐能力，創新意識不強[5]。

因此，以“培養實踐創新能力”為數字電子技術實驗課程教學目標，通過研究工程案例與理論知識的匹配度，實驗教學改革對競賽和雙創項目的支撐度，實驗教學融入思政教育的具體路徑和方法，構建“思政元素+工程案例+學科競賽+大學生創新訓練項目”融入實驗教學的教學模式，采取競賽、項目研究的方式對遵義師范學院電氣工程及其自動化專業（以下簡稱電氣專業）學生實施教學改革。促使實驗教學與工程實踐緊密結合，有利于培養學生的工程思維，提升學生的實踐創新能力，增強學生的創新意識。

2 優化實驗項目創新教學方式

以實驗教學模式為指引，對數字電子技術理論知識進行模塊化和層次化的劃分，確定實驗項目類型為“基礎設計+綜合設計+探究設計”且難度遞增，使學生對該課程的學習循序漸進，避免一開始就展開較難的實驗導致學生反感；明確每一類實驗項目的思政目標，從工程案例、電子設計競賽、大學生創新訓練項目中對應選題，凝練形成實驗項目。基礎設計型實驗注重培養學生的基本實驗素養和操作技能，采取個人獨立實驗的教學方式；綜合設計型實驗注重培養學生小項目細流程的工程思維，采取競賽的方式進行小組實驗[6]；探究創新型實驗注重培養學生的科學思維、工匠精神，以項目研究的方式進行小組實驗。通過多種教學方式促使“思政+工程案例+學科競賽+大創項目”融入實驗教學，以潤物無聲的方式將德育貫穿實驗教學全過程。

3 項目研究培養科學素養

重點闡述項目研究的實驗教學方式來呈現實驗教學改革實施過程。實驗教學采用項目研究有助于驅動學生自主鞏固理論知識，強化實踐操作，促進工程實踐與實驗教學深度融合，提升學生獨立探究和實踐創新能力[7]。探究型實驗項目采取項目研究的方式開展，研究分為項目方案的評定、電路設計與仿真，實操與答辯環節，教師制定圖1的項目研究流程，小組依據流程完成各階段的任務，獲得該項實驗的最終成績。

3.1 實驗項目方案評定

以設計一個智能脈搏測試儀為例，教師發布實驗項目，給出項目工程背景、技術指標、原理提示。學生根據流程圖1要求查閱文獻、系統復習理論知識、確定實驗方法，形成詳細的研究方案，制作PPT進行匯報。教師根據學生的項目研究方案和PPT匯報情況評定該環節的分數。通過此環節訓練，提升了學生獲取價值資料的能力，拓展了學生的知識層次，培養了學生自主探究和創新能力，訓練了學生對科學問題的表述和綜合提煉能力。

工程背景：脈搏測試儀用于監測人體脈搏，廣泛應用于臨床醫學、體育運動等領域。技術指標：設計一個脈搏測試儀，在15s內測量1min的脈搏數并顯示測量結果；用傳感器將脈搏跳動轉換成電壓信號，其輸出電壓一般為幾十毫伏；測量范圍：30—250次/min；測量精度：±3次/min。原理提示：傳感器檢測心臟跳動產生的脈搏波并將其轉換成模擬電壓信號，經放大與整形變成數字信號，通過計數器計數后由顯示器顯示脈搏數。

3.2 實驗項目設計與仿真

借助Multisim軟件，學生在該階段需要完成各電路模塊設計與仿真、綜合電路仿真調試。通過電路設計與仿真，強化學生在模型搭建、數據分析、參數校正等實驗環節的基本技能，掌握電子電路模塊化、層次化設計方法，培養學生自主設計、分析、歸納等工程素養[89]。根據脈搏測試儀的設計要求，學生需要完成傳感器電路、放大與整形電路、倍頻電路、控制電路、計數譯碼顯示電路的設計。

3.2.1 傳感器電路模塊設計

傳感器的功能是將脈搏信號轉換為電信號，學生自主選擇傳感器電路，鞏固脈搏信號轉換為電信號的傳感原理及電路設計方法，借助Multisim軟件進行電路仿真調試。以選擇紅外光電傳感器為例，所設計的仿真電路如圖2所示，用紅外光照射人的手腕脈搏，當脈搏跳動時光敏三極管接受的光照發生變化，輸出電壓發生變化，為了模擬光敏三極管接受光照的變化，選擇矩形波信號作為發光二極管的電壓源。

3.2.2 放大與整形電路模塊設計

由于傳感器實際輸出的電壓信號比較微弱且為不規則的脈沖信號，須通過放大、濾波、整形以滿足計數電路的要求。學生自主思考選擇放大電路、濾波電路、整形電路以及外圍元器件，鞏固同向比例及反向比例放大電路、濾波電路、脈沖整形電路的工作原理，借助Multisim軟件仿真進行電路參數調試，以獲得最優電路模塊。以選擇同向比例電路、二階壓控有源低通濾波器、施密特觸發器為例，所設計的仿真電路如圖3所示。

3.2.3 倍頻電路模塊設計

設計要求在15s內測量1min內的脈搏數，從而縮短測量時間，提高測量效率，故需要對放大整形后的脈搏信號進行四倍頻。倍頻電路的形式很多，學生自主思考，分析不同倍頻電路的優缺點，結合工程實際設計合適的電路，加深對倍頻電路基本工作原理的理解，借助Multisim仿真調試以獲得最優電路。以選擇異或門電路構成4倍頻電路為例，所設計的仿真電路如圖4所示。

3.2.4 控制電路模塊設計

為了控制脈搏信號經放大、整形、倍頻后進入計數器的時間為15s，需要設計一個電路控制計數器的計數時間。555定時器是一種常見的定時控制集成電路，學生自主思考，用555定時器及外圍電路元件設計定時控制電路，鞏固555定時器的工作原理及應用，所設計的定時控制電路如圖5所示。

3.2.5 綜合電路仿真調試

完成了各電路模塊的設計與仿真后，學生將各單元電路模塊連接形成綜合電路（圖6），并進行綜合仿真調試，進一步修正參數、優化結構以達到設計指標。通過此環節訓練，培養了學生系統集成與調試能力，提高了學生分析和解決問題的能力。在綜合電路中，輸入放大電路的矩形波幅值10mv，頻率2Hz，定時電路定時15秒，脈搏測試儀在15秒內測得的脈搏數為119次/min，誤差為1次/min，仿真驗證總體達到了設計指標要求。

3.3 實驗項目實操與答辯

完成綜合電路仿真調試后，項目研究進入現場實操與答辯環節。在實操環節，教師預定時限并根據學生實操效果進行評分，學生利用實驗室資源進行硬件電路的搭建與測試，分析并解決相關問題。學生整理項目研究成果，凝練形成完整的研究報告，制作PPT進入答辯環節。答辯評定過程中，教師依據過程考核指標，結合研究報告和匯報情況評定該環節的成績，匯總各環節成績給出項目最終評分。

4 強化學生創新實踐訓練

為了強化學生的實踐創新能力，以實驗教學為基礎，結合產業需求搭建人工智能和機器人創新實踐基地，依托基地平臺將電子技術、單片機技術與人工智能技術結合，引導學生參加專業學科競賽、申報大創項目等。電氣專業學生在近年的創新實踐中，全國大學生機器人競賽獲省級及以上獎項30余項；全國大學生電子設計競賽獲省級獎項1項；中國大學生工程實踐與創新能力大賽獲省級以上獎項4項；中國國際大學生創新大賽貴州省賽獲銀獎2項；成功申報全國大學生創新創業訓練項目7項。

5 結論

以“思政元素+工程案例+學科競賽+大創項目”融入實驗教學的教學模式為指導，通過明確思政目標優化實驗項目，采取競賽和項目研究的教學方式實施教學改革，有效引導了學生深入理解理論知識和工程背景，系統拓展了知識結構；學生自主優化實驗方案，將理論知識與工程實踐深度結合，培養了學生理論聯系實際作出決策的能力；學生自主設計實驗電路并仿真，對基礎理論知識進行鞏固并拓展應用，強化虛擬儀器的使用技能，掌握了電子電路設計和驗證方法；現場實操與答辯環節鍛煉了學生系統集成和調試處理能力，提高了學生對知識的凝練表達能力。以實驗教學為基礎，引導學生積極參加專業創新實踐，強化了學生的實踐創新能力，增強了創新意識。改革實踐對工科專業應用型人才培養具有借鑒意義。

參考文獻

［1］胡仁杰，堵國樑，鄭磊.電工電子實驗教學體系改革與建設[J].實驗技術與管理，2022，39（7）：206207.

[2]王旃，林平，張德華.面向新工科的電工電子實驗教學體系改革研究與創新實踐[J].實驗室研究與探索，2023，42（6）：277278.

[3]陳燁，袁小平.基于“數字電子技術”課程中基本器件的創新實驗設計[J].實驗技術與管理，2020，37（8）：216218.

[4]鄧蓉，劉亮，孫利平.數字電子技術實驗課程的混合式教學實踐[J].電子技術，2024，53（9）：401405.

[5]王波，王美玲，劉偉，等.基于 OBE 理念的電子技術實踐教學改革[J].實驗室研究與探索，2019，38（10）：228231.

[6]孫凡金，張勤進，陳洋，等.以競賽為導向的電工電子課程實驗教學模式研究[J].實驗室研究與探索，2023，42（2）：200203.

[7]周瓊.項目式人工智能實驗課程教學模式設計[J].創新創業理論研究與實踐，2024，（17）：4347.

[8]弓煊，白雪峰，盧旭盛.新工科背景下電工電子技術實驗課程改革與探索[J].現代商貿工業，2025，（1）：266268.

[9]李敏.Multisim在數字電路課程設計中的應用[J].實驗室科學，2020，23（6）：5659.