以光电竞赛促进数字电子技术教学改革

    唐海波 郭纪祥 牛全旺 张禹涛 柴一峰 刘明伟

    摘 要：数字电子技术课程是本科高校电子信息类专业核心应用能力课程之一。本文以全国大学生光电竞赛为契机，针对在学生参加光电比赛和教学过程中暴露出数字电子技术传统教学方式的不足，提出了针对数字电子技术教学改革的一些思路和措施，旨在激发学生学习兴趣，培养学生的实践能力、创新能力、就业竞争力和合作意识，为社会培养更优秀的人才。

    关键词：全国光电设计竞赛;数字电子技术;教学改革与探索

    全国大学生光电设计竞赛是由教育部电子信息类专业教学指导委员会和中国光学学会共同主办的一项全国赛事。自2008年首届竞赛举办以来，得到了中国高等教育学会、中国光学光电子行业协会等的高度认可，堪称光电相关领域影响力最强、规模最大的竞赛，也是中国“互联网+”大学生创新创业大赛的预选赛之一，在业界获得了高度认可。2019年举办了第七届全国大学生光电设计竞赛，为单数年首届创意赛。竞赛宗旨是促进光电知识的普及，加强大学生实践和创新能力，锻炼和培养学生团队精神，促进高等教育改革。

    数字电子技术是光电竞赛的重要学科之一，是光电信息科学与工程、电子信息工程及通信工程等专业重要的基础课程，为单片机技术、信息技术和传感器技术等后续课程奠定坚实的学习基础[1]。随着电子技术的迅速发展和新工科建设要求，必须从教学理念、内容、方法、手段等方面对数字电子技术教学进行改革，形成适应时代需求的教学模式，进而提高学生的实践和创新综合能力，以达到以赛促教以教促赛的目的[2]。

    一、数字电子技术传统教学方法的局限性

    在数字电子技术课程传统教学过程中，为保持课程的系统性、理论性和规范性，教师会重点强调理论课的教学，而实践性教学更多地停留在口头上。在实践教学中，主要通过验证性实验来让学生巩固所学内容，忽略了课程的应用范围，以及对学生实践动手能力和学习兴趣的培养[3]。

    由于教学改革，数字电子技术课程的学时不断被压缩。数字电子技术课程本具有内容多、散、碎等特点，教师上课时往往会相应地加快教学进度，容易造成课堂教学中“满堂灌”现象。这种教学过程，导致学生缺乏思考，不利于学生的教学参与、自主学习能力的培养和学生课程课外拓展应用。现如今，在光电、电子及其他各项竞赛中，对掌握数字电子技术的要求越来越高，学生需要足够多的专业理论知识、分析问题和解决问题的实践动手能力，同时还须具备一定发散创造性思维。

    二、数字电子技术教学改革与探索

    借鉴光电竞赛比赛和培训经验，我们对数字电子技术课程进行了一些有益的改革和探索。

    首先，更新教学理念。好的教学理念能让学生迅速理解并内化课堂内容。在数字电子技术课程教学中，传统的教学理念以教师如何教为主，学生处于被动接受的状态，这就导致了最后“填鸭式”教学的出现，学生对知识的理解和接受都较为缓慢。因此，很有必要实现教学理念的创新。一是要做到以学生为中心。要发挥学生的主观能动性，提高学生学习的兴趣;要以发展能力为主要目标，培养学生分析问题、解决问题的思考能力，鼓励创新性学习。二是要充分发挥教师的引导作用。教师巧妙点拨和指导，可以大大增加学生学习的兴趣;要提高教师“导”的技能，要重视教学内容的讲解。三是在教学中形成互动教学新型师生关系。在现代课堂教学中，可以借鉴中国传统教育思想中优秀的教育教学理念，如师生平等、有教无类、因材施教等。只有实现教学理念的创新，在实际教学中才可以实现师生积极互动、共同发展的互动教学新型师生关系。这种互动教学新型师生关系，可以极大的调动教师教和学生学两方面的积极性，学生可以充分展现他们的潜能和创新思维，从而保证教学效果。

    其次，优化教学内容。全国大学生光电竞赛所涉及数字电子技术的内容、知识点和应用极其广泛，竞赛内容在数字电子技术部分涉及有组合逻辑电路、时序逻辑电路、各种数字集成电路（含门电路、可编程逻辑器件和半导体存储器）、数/模与模/数转换器和脉冲波形的产生与变换电路等重要知识点。一直以来，全国大学生光电竞赛题目具有较强的实用性和较高的前瞻性。因此，以光电竞赛所涉猎的知识范围为切入点，重新审视数字电子技术理论和实践教学的计划安排，增加和突出重点内容和应用性较强的内容模块，优化过时、不合理或不重要的教学内容。要紧跟时代发展的脉搏，把提高质量作为教学改革的核心任务，使学生能够将所学知识应用到光电竞赛、电子竞赛，“互联网+”“挑战杯”等各种社会实践中，让课堂教学富有生命力。

    再次，创新教学方法。全国大学生光电竞赛需要学生富有创新思维，而这种创新思维的培养对教师提出了更高的教学要求。传统的填鸭式教学方法，形式比较单一，课堂枯燥无味，无法调动学生的积极性和培养學生的自学能力。因此教师在教学过程中，要以学生学习为中心，以素质培养为目的，注重教学方法的创新，吸引学生的注意力，培养学生的发散性思维。如采用问题启发式教学法、任务驱动教学法、项目化和参与式教学、强化案例分析法、头脑风暴法、小组讨论法、讲练模拟教学法、巧设疑问法等。针对数字电子技术课程内容多、散、碎等特点，可借助超星网络学习平台，采取SPOC（Small Private Online Course小规模限制性在线课程）翻转课堂式创新学习法，注重探索以学生为中心的课程教学组织新模式。

    最后，构建多层次实验教学体系。在数字电路实践教学上，根据学生实践能力和培养的循序渐进性，构建了由基础验证性实验、综合设计性实验、工程创新性实验三个层次教学体系。其中基础验证性实验侧重于电子元器件的认识和应用，以及基本数字电路的调试和测量，尽量覆盖理论课教学中的重要知识点。综合设计性实验的设置侧重于培养学生巩固和应用理论知识的过程。工程创新性实验的设计侧重于学生综合素质和能力的培养。分层次的实践教学有利于学生加深理论认识，提高专业素养，培养创新意识。同时，及时更新实验设备，对于一些硬件设施跟不上的实验，可以利用Proteus、Multism或EDA等软件开设仿真实验。

    三、教学改革与探索成效——以光电竞赛为例

    2019年全国光电赛内容围绕光电信息技术在环境、医疗、安全等各个领域的新应用，以培育新产品、新业态、新服务、新模式为目标为题。根据学生理论课的学习情况，指导参加光电比赛大二学生这一组选择了完成基于树莓派智能巡检设备的设计与实现。该巡检设备携带热成像传感器、粉尘检测传感器和摄像头检测装置，可以对室内空气粉尘浓度、异常热源等情况进行警报，具有现场图像采集、粉尘浓度检测等功能。通过激光雷达进行路径规划，可以按最优路径进行自主巡视，满足了在不同环境下智能巡检的需要。

    该系统以树莓派为核心处理器。巡检设备的粉尘浓度采集功能的实现利用了光散射原理。为了更好地对散射光信号进行处理，需要设计光接收电路对其进行放大和滤波处理。热成像的实现利用物体热辐射的特性，选用FLIR热成像模块，通过USB接口与树莓派进行通信和图像传输。智能巡检设备在工作过程中通过L298N接受逻辑电平控制电机，完成前进、后退和转弯等动作。智能巡检设备的云端数据库采用在腾讯云个人服务器搭建MySQL数据库进行存储。各项监测数据上传采用了基于TCP协议的实时传输方法，实现了云端数据库的可视化查看。

    通过竞赛，学生把课堂上学习的逻辑门电路、锁存器和触发器、组合逻辑电路、时序逻辑电路、编程逻辑器件、AD转换、DA转换这些数字电电路专业基础课程连接在一起，巩固了重要的知识点，同时还可以将电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、C语言编程技术等专业基础课程连接在一起，巩固了专业知识等，从工程实践能力上加强了学生PCB电路的设计和制作、电路焊接与调试、电路综合故障排除等能力。本组最终获得2019年第七届全国光电竞赛中南赛区一等奖，全国三等奖。这样的成绩对于还在读大二的三名学生实属不易。

    四、结语

    以光电竞赛为动力，以培养高素质技术人才为目的，对数字电子技术进行了有益的教学改革和探索，并取得了良好的效果。通过以赛促教、以教促赛的教学方式，学生的学习兴趣、学习积极性、综合素养和能力得到了明显提高，在光电竞赛和其他电子竞赛中取得了良好的成绩。通过竞赛，大大开阔了学生的眼界，培养了学生的协同创新能力。

    参考文献：

    [1]叶青，张卫平，张东彦，黄明.新形势下电子技术课程教学研究与探索[J].教育教學论坛，2018，30：137-138.

    [2]王文静，唐建锋，谢宇希，朱亚培.电子设计竞赛视角下的模拟电子技术教学改革与实践[J].价值工程，2016，28：165-166.

    [3]刘华珠.浅谈数字电子技术课程教学改革研究[J].教育现代化，2018，21：55-56.

    基金项目：2019年湖南省教育厅“普通高等学校教学改革研究项目”（编号：G21916）

    作者简介：唐海波（1980—），男，汉族，湖南祁东人，博士，讲师，主要从事激光与物质相互作用研究及光电教学研究。