疫情中网课教学模式下“数电”实验教学的探索与实践
杨杰 丁文霞 胡胜 曲春晓
[摘 要]受新冠疫情影响，数字电子技术课程也陷入不能按常规方式完成实验环节教学的困境。为此，根据数字电子技术课程的特点，项目组采用了“将实验内容高度综合后与理论教学融为一体、再辅以软件仿真实现”的实验教学模式。具体做法是：设计数个密切结合实际的综合实验项目，在后期的理论教学中不断“借题发挥”展开讨论、分析，同时借助网络保持师生高频互动，最终由学生独立用软件仿真完成实验。实验结果表明，这种方法能把实验环节与理论教学有机地融合起来，两者相辅相成、相得益彰，取得了良好的教学效果。
[关键词]数字电子技术;实验教学改革;计算机仿真
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）06-0090-03
一、引言
2020年初，一场突如其来的新冠疫情改变了一切，全国各类学校的正常教学秩序受到了强烈冲击。为贯彻“停课不停学”的指导方针，我们所讲授的数字电子技术（以下簡称“数电”）课程和其他课程一样，开展了以网课模式为核心的教学。然而，疫情的严重性大大超出了预期，所有的课程不得不接受这样一个严酷的现实：按常规的方式在相应的时间节点内完成实验环节的教学目标已经不可能实现。
面对这种特殊情况，当然可以采取“先理论后实验”的方法，即先用网课的形式完成理论部分的教学，等到疫情缓解学生正常返校上课时，再按常规方式把实验环节补齐。这样做固然省事，也无须承担风险，但由于学习理论知识时与实践脱节，极有可能会影响学生学习的实际效果，且势必要面对后期多门课程实验都需要突击完成的尴尬局面。
为了更好地完成教学任务，课程组教师多次进行远程视频会议，经过反复讨论，形成了如下共识：数电是电类各专业的核心基础课程，后续许多专业知识的学习均要以此为基础，且数电的实践性很强，实验环节是该门课程教学环节中不可或缺的一个重要组成部分，只有与理论教学有机地融为一体才能保证最佳的教学效果[1];数字电路相对简单，计算机几乎能100%仿真出实际运行的情况，用软件仿真基本可以达到常规实验的效果[2]。据此，课程组教师决定，因势利导，把“线上理论教学”和“线下虚拟仿真” 结合起来，采用“将实验内容高度综合后与理论教学融为一体、再辅以软件仿真实现”的实验教学新模式应对这次危机。具体做法是：首先设计数个密切结合实际且综合性强的实验项目发布给学生，在随后的理论教学中不断“借题发挥”，围绕这些综合实验展开讨论、分析，期间教师通过网络给学生及时答疑辅导，由学生借助计算机仿真独立完成实验内容，最后学生上传提交相关设计文档、视频供教师检查验收。
二、实施过程
（一）顶层精细设计
在决定改用新模式进行实验教学后，我们首先设计了三个较综合的实验项目：“整点报时的数字钟”“智力竞赛抢答器”和“倒计时自动红绿灯交通指挥系统”。这些项目既综合了数电课程的主要核心内容，又与实际生活密切相关，方便学生理解，容易激发学生的兴趣。比如，“整点报时的数字钟”本质上就是数电中时序逻辑部分的典型电路——计数器，只不过增加了级联、对时以及整点报时的内容。弄懂其原理后，还可以自由拓展升级成带定时闹钟的数字钟。“智力竞赛抢答器”是学生喜闻乐见的电子产品，除了定时控制之外，主要训练学生如何灵活、变通地使用成品的数字芯片，同时理解数电核心器件——“触发器”的工作原理，并掌握分块设计、调试的技巧。自由拓展的空间包括参赛选手人数的增加以及定时控制时间的延长等。“倒计时自动红绿灯交通指挥系统”也是数电中时序逻辑电路部分中典型电路“计数器”的应用，训练的内容包括级联、溢出及置数控制等，还可以在“夜间模式”“交通高峰模式”以及“多车道信号控制”等方面进行深度拓展。
为适应学生能力存在差异、各自在家不方便互助学习的实际情况，课程组教师灵活地采用了层次化管理手段，三个实验模块各有侧重且任务灵活可变，每个模块在要求方面既符合教学大纲，又有进一步拓展的空间，也鼓励学生自由发挥。学生可根据自己的能力、兴趣任选一项完成，且深度可自己把握。这样因材施教，既不会让部分基础差的学生因无法完成而产生抵触心理影响实际成效，又可以让有能力的学生吃得饱，使富有创造力的学生可以有更大的发挥空间[3]。
在申请上报获批后，实验部分的教学大纲也做了调整，并将综合实验的题目、实验教学实施方案等及时传达给了学生。
（二）控制时间节点
由于设计的实验项目是综合性的，其目标不仅要完成实验内容，还要把数电的核心知识都融入其中，使理论教学与实际应用挂钩。故教师在理论教学时不断地“借题发挥”。如在第三章“逻辑门电路”、第五章“触发器”的讲解中，有意识地介绍现有数字集成芯片的种类及选型方法，为后期电路设计的芯片选型做铺垫;在第四章“组合逻辑电路”和第六章“时序逻辑电路”的讲解中，都以将要涉及的三个综合项目为例，展开相关电路设计方法的教学，通过凝聚学生学习注意力的方法提升教学效果，在不增加学时的前提下，既完成了知识点的讲授，同时又兼顾了实验指导，可谓一石二鸟、事半功倍。
（三）线上详尽辅导
计算机虚拟仿真是高效的现代设计手段，也是这次完成实验的最终形式。为此，任课教师利用讲课时章节之间的衔接点等时机，见缝插针地向学生介绍相关软件的知识，包括使用方法、注意事项等，旨在让学生早早就熟悉这种“神器”。
在课程的核心内容教授完成后，再用2个课时把三个综合实验题的设计方法、调试步骤等内容系统地给学生讲授一遍，包括类似问题的核心电路举例、后期调试可能遇到的难点以及需要采取的对策等。这个环节可以给初次涉及电路设计及软件仿真的学生以实实在在的帮助。
（四）互动交流辅导
疫情期间，学生各自居家，相互之间交流受到很大限制。每个人的计算机操作系统不同，使用的软件环境也各不相同，初次利用计算机仿真进行电路设计，必然会遇到各种各样的问题。及时给学生提供个性化的帮助是新模式下完成实验教学的必要措施。课程组教师利用网课期间早已建立好的班级QQ群、微信群等，和每位学生都建立了快捷的信息交流通道;在优学院平台还开设了师生交流区，任课教师采取轮班负责制，保证每天都有教师负责在线答疑。这样，任何学生只要有需求且提出来，都会很快得到教师的响应。通过这些交流渠道，我们基本把师生之间的空间距离缩短到了“零”。
（五）学生仿真设计
软件仿真是借助计算机的强大运算能力，用系统的数学模型对真实系统或设想系统进行试验的一门技术。随着计算机硬件及软件水平的不断进步，软件仿真在科技发展中发挥出越来越大的作用，不仅大幅提高了工作效率，还降低了设计成本、缩短了开发周期，已成为现代设计不可或缺的技术手段，也是每个未来工程师必须掌握的重要技能。
能够进行仿真数电工作的软件很多，本次远程实验教学向学生推荐使用的软件是Multisim[4]。这款仿真软件内部具有数以万计的建模精确的元器件模型和各类精度极高的虚拟仪器仪表，可以在计算机纯软环境中逼真地模拟出由各种电子元器件组成的电路以及仪器仪表，仿真演示各种电路的实际运行效果，且与实验室环境下的实验调试结果非常相近。元件库中几乎所有真实元器件都有PCB封装图与之对应，并提供了进一步进行PCB制板的输出接口，因而具有很强的实用性。
用Multisim进行数字电路的设计验证尤其能突显其优越性。由于数字电路的实验相对简单，用Multisim仿真，可以非常逼真地演示出实际电路的运行情况，甚至比在实验室的面包板上搭接電路更为方便，而一切操作只需动动鼠标即可。在其自身提供的虚拟元件库中，有全系列的各种常规数字电路产品供用户随意选择使用，其还提供了各种常规仪表，包括逻辑分析仪和网络分析仪等高级仪器仪表，甚至提供了如“字信号发生器”“逻辑转换仪”等现实仪器中并不存在的工具，学生完全不用考虑元器件的消耗和仪器仪表资源的占用，且设计调试安全，永无损坏仪器仪表、损伤器件之虑。打开Multisim仿佛进入了一个设备齐全的高档实验室。其尤其适合疫情期间使用实际器件和实验仪器不便的特殊情况，功能齐全、直观逼真、易学易用，且使用范围广泛、资源丰富，使用起来十分便捷。
学生最终须提交一份独立完成的仿真设计文档，教师下载后可以检查学生的完成情况，公平客观地给予相应的成绩。
（六）成果验收检查
为了保证最终的效果，同时也为了锻炼学生的能力，在实验布置之初教师就明确要求学生，提交的最终实验成果必须包含以下几方面的内容。
1. 撰写实验报告
撰写档是现代从事科研工作人员必须掌握的基本技能，也是大学教育对学生进行训练的一个重要内容。虽然以往的实验也要提交实验报告，但由于所完成的实验内容大多没有学生自主参与的成分，大段照抄实验指导书的现象非常普遍。而这次实验主要由学生自主设计完成，没有了大段、现成的可以复制的内容，这就要求学生在撰写实验报告上多花点功夫，把自己的设计思路、遇到的问题以及解决的方法，包括自己的心得体会、真情实感都整理记录下来，这正好是一次锻炼的机会。
为了切实提高学生撰写报告的能力，任课教师刻意提前准备了一个模板，给出了相应的大纲，要求学生从选题意义、方案选型、电路设计、调试步骤、效果总结、体会感想等方面入手，写出真正属于自己的、与众不同的实验报告;还要求学生精细排版，处理好页眉、页脚、封面、目录等，对字体、字号、行距、参考文献的写法等都做了明确细致的规定。由于文档通常还需要插入电路图、表格等，学生在此过程可以得到充分的训练。
为防止版本差异造成的排版错误，同时要求学生提供PDF格式的文档，最终教师从实验报告的内容、排版等方面给出这部分的成绩。
2. 录制露脸视频
现在智能手机早已普及，即使在疫情形势下录制视频也是一件轻而易举的事。有了优学院平台的优势，学生上传视频也非常容易。每个学生在完成设计后，需要录制并上传一段自己设计的计算机仿真的工作视频，在视频中学生本人要同步讲解其工作原理，且要有露脸镜头以验明正身。这就更能反映学生的实际水平和参与度，有助于教师甄别优劣、剔除假冒，学生的语言表达能力也可得到锻炼。
3. 提交仿真文件
学生必须提交各自所设计的电脑仿真文档，并明确所用仿真软件名称、版本，以方便教师验证、检查学生的实际完成情况。
4. 制作PPT
学生毕业后在职场上，经常会遇到项目投标汇报等场景。因此，学生针对自己的设计做汇报PPT也是一个不错的选择。虽然受疫情影响，这项内容只是选做，受时间限制也无法全面展开，但学生制作了PPT并在网络平台上共享，同样也是一次很好的锻炼。
三、效果分析
2020年上半年东莞理工学院电子工程与智能化学院数字电子技术这门课共有4个专业、10个班级、363名学生参加学习，所有学生全部参与了新的实验模式的教学，最终除极个别学生外，绝大多数学生都按要求完成了项目。大家积极参与其中，不少学生不仅完成了基本内容，还把拓展任务也完成了，甚至有好几位学生把三个项目全部都做了一遍。
从最终成绩来看，有80名学生（约22%）的实验成绩为优，149名学生（约41%）是良好，83名学生（约23%）是中等，仅47名学生（约13%）的成绩为及格，而不合格的有4名，只占约1%。最终的实验成绩分布情况见图1。
从学生反馈来看，学生对这次的实验教学改革接受度较高，都广泛认同了这种疫情中网络教学环境下新的实验模式。与常规实验教学相比，由于自主参与的成分较多，大多数学生参与的积极性较高。再者，疫情把学生限制在各自家庭，客观上“滥竽充数”就没那么容易了，这就迫使他们必须抛弃以往的依赖性，积极参与到这次的实验中。不少学生反映，许多上课时介绍的理论知识点，在做实验之前“似懂非懂”，而完成整个设计之后，则感觉“豁然开朗”“茅塞顿开”，并在办公软件的使用及视频文档制作等诸多方面得到了锻炼。
四、结束语
实践教学是一个广阔而肥沃的育人天地，只要构建并实施了正确的实验教学体系和培养模式，坚持不懈地进行探索、研究，不断提高实践教学质量，就一定能发挥出实验教学在培养学生实践能力和创新能力方面的重要作用。
本次新冠疫情期间，面对不可抗拒的教学条件突变，我们从数电课程的特点出发，充分发挥计算机仿真的优势，利用网络互动弥补空间距离的缺陷，经过缜密的顶层设计，提出并实施了“将实验内容高度综合后与理论教学融为一体、再辅以软件仿真实现”的实验教学模式，把理论教学讲授与实验项目设计有机融合，最终取得了良好的实际效果，得到学生的广泛认可，同时获得了广东省本科高校在线开放课程指导委员会颁发的“疫情阶段在线教学优秀案例”省级一等奖。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 王芳.浅谈数字电子技术课程的教学改革方法[J].黑龙江教育学院学报，2014（6）：87-88.
[2] 吴学军，张静. EDA仿真设计在《数字电子技术基础》课程教学中的应用[J].湖北文理学院学报，2013（11）：78-81.
[3] 杨杰，杨雷.“数字电子技术”多层次实验教学模式的探索[J].东莞理工学院学报，2007（2）：97-99+105.
[4] 李响，赵耀. Multisim在数字电路实验教学中的应用[J].信息技术与信息化，2020（2）：210-212.
[责任编辑：陈 明]
