电子技术实验教学的研究与实践

卢东兴

(肇庆学院电子与电气工程学院 广东肇庆 526061)

1 电子技术实验教学改革的意义

实践教学一直是教学工作中的薄弱环节，特别是自高等教育大众化以来，社会各界要求提高大学生实践能力水平的呼声越来越强烈，引起了教育部等相关部门的高度重视。2018年教育部发布的《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》，强调了本科教学的首要原则：突出学生中心，注重激发学生的学习兴趣和潜能，创新形式、改革教法、强化实践[1]。教育部的“新工科”计划，旨在通过建立一体化的相互支撑和有机联系的课程体系，培养学生的实践创新能力和适应变化能力[2]。目前，笔者所在学校正以新工科、新农科、新文科建设为引领，努力推进建设新时代特色鲜明的高水平应用型大学，加强实践教学更是刻不容缓。

当今社会电子技术发展日新月异，尤其是集成电路技术的进步与应用，其更新速度较快，传统的电子技术课程的教学已经不能适应社会的需求。电子技术课程的教学必然要做出调整。一方面，社会对工科学生的专业修养提出了更高的要求，实践能力与创新能力成为社会的必然需求；另一方面，大规模集成电路得到广泛应用，软件仿真代替了传统方式下的电路调试，在改变人们对电子技术的理解模式的同时，为电子产品更快完成设计争取了宝贵的时间。

2 电子技术实验教学改革面临的问题

近年来，虽然笔者所在学校加大了实验室建设经费的投入力度，但由于历史的原因、设备的限制以及师资条件，目前能进行电子技术相关实验大多是验证性实验，只有一小部分是综合性和设计性实验，实验内容偏少偏简单。另外，单片机、可编程逻辑器件及编程技术、嵌入式系统等电子专业实验课程知识框架陈旧，学生的专业知识难以支撑岗位需求，培养出的人才不符合现实社会需求，实验效果不佳，学生兴趣也不高[3]。

电子技术实验项目中，无论是模拟电路实验部分，还是数字电路实验部分，目前都存在很多耗时费力且难以得到正确结果的实验项目。在模拟电路实验项目中，采用分立元件搭建电路，电路搭建难度大，而且极易引入干扰，对信号源、测试设备、电源以及电路的布局都要求很高，实验效果普遍较差。数字电路实验项目中，虽然以逻辑芯片为主，但是往往连线众多，实验过程中学生需要耗费大量的时间进行接线，分析设计的时间反而少了。一个实验做下来，老师和学生都很忙，但其实学生学到的东西以及得到的锻炼并不多。

传统的实验教学模式一般按照如下程序进行：实验老师发布实验内容，实验演示并讲解实验原理，学生模仿操作并记录实验数据，课后分析实验结果和撰写实验报告。这种模式不利于激发学生的主动性和积极性，实践能力和创新能力锻炼均不足，仅仅是完成课程的基本任务，难以培养出高水平应用型人才。

2020 年以来，由于疫情的原因，既要避免聚集性传播，又要保障学生实践能力的锻炼，众多高校都在探索各种实验教学模式。有视频会议方式的，有结合仿真实验方式的，也有在线实验方式的。这些方式具有自己的优点，也存在一些缺点。视频会议方式要求具有很好的网络环境，以老师的演示方式完成实验教学，学生的实验过程和实验效果难以及时得到反馈。若加上虚拟仿真实验，则往往要求各个学生都安装虚拟仿真软件，学生也是缺乏实操的动手机会。基于在线实验平台开展实验教学，学生远程操作实验设备，实验环境更接近真实实验环境，但是相对来说建设投入较大。

3 电子技术实验教学改革的措施

电子技术实验教学改革是一个系统的工程，除了要在教学内容和方法进行改革之外，对培养方案和师资力量方面也提出了新的要求，需要在教学环境、教学场所和教学设备上有配套的建设方案。为了适应电子技术实验教学改革的需要，更好地提高学生的实践动手能力，该课题参照国内兄弟院校的做法，进行了一些探索。

3.1 实验教学内容和方法的改革

电子技术实验教学改革要切合学生实际，跟随教学进度，为后续课程打下坚实的基础，同时适量从深度和广度上扩展学生的视野，尽最大能力提高学生的实践能力和创新能力，满足社会对学生应具有的工程师素养的要求。基于这样的思路，近年来，该课题在教学内容和教学方法的改革等方面进行了一些探索，并取得了一些成果。

3.1.1 增设综合性实验和设计性实验

科学技术是第一生产力的论断已被广大人民群众所接受。大学生是未来科技工作的主力军，培养大学生的科技创新能力是十分重要的。实验教学是高校本科教学工作的重要组成部分，是培养学生动手能力、创新意识和创新精神的重要手段，而实验教学内容中的综合性、设计性实验则是培养学生专业综合素质、解决实际问题的重要途径。

由于课时有限，对一些旨在加深课程内容理解且实现简单的验证性实验，该课题的方法是让学生在课后以开放实验的形式独立完成，并加强课后答疑和辅导。在实验课中，增加一些综合性实验和设计性实验项目，重点培养和锻炼学生的独立思考能力和创新能力。

3.1.2 引入计算机虚拟仿真实验

电子技术实验教学方法及手段的常规做法是利用常用电子仪器和基本测量方法，对简单的电路进行测试和分析。但由于受环境、仪器和元器件的限制，稍微复杂一点的实验费时费力，效果也不理想。传统的实验教学模式是由教师先进行讲授和实验操作示范，实验方案、操作步骤都被老师安排得清清楚楚，学生在实验过程中只需按照程序操作，按照老师的指导机械地验证最终的实验结果[4]。整个过程中，学生是被动地接受、机械地模仿，主体地位未得到充分体现[5]。部分学生在实验过程中甚至不明白自己在干什么，每一步究竟是为了什么，所得到的参数究竟代表什么，在课后写实验报告时才会结合所学知识对数据进行回忆式分析，而实验过程中出现的问题则会忽略，达不到实验课程预期的培养效果。

该课题要求学生首先要借助Multisim 或Quartus等EDA 软件完成虚拟仿真实验，得到正确的实验结果，然后再到实验室开展实操实验。这样的实验方式不但实验的效率得到提高，也有利于锻炼学生的自主学习能力。在设计出电路后先用计算机仿真验证实验结果，结果正确后再搭建电路，这也是现代电子产品设计的常规步骤，有利于提高电子产品开发的效率。

3.1.3 增加基于集成电路的模拟电路实验项目

为了体现适合我国情况的先进性，除了保留少量的分立元件实验项目外，该课题删减了一些已过时的内容，比如阻容耦合电压放大电路实验、变压器耦合功率放大电路实验、由分立元件组成的放大电路设计等，在基本放大电路实验、负反馈放大电路实验、信号的运算和处理实验、波形的发生和信号的转换实验、稳压电源实验等实验项目中主要以集成运算放大器、集成比较器、集成三端稳压器构成电路。这样的电路结构，适应了电子技术发展的潮流，而且学生普遍反映容易理解，实验成功率高，效果良好。

3.1.4 引入基于可编程逻辑器件的数字电路实验

传统的数字电路设计方法，基于“中小规模集成电路+连线”的电路方式，仅适用于低速和简单的数字电路设计，存在效率低、可靠性差、实现功能有限等问题，无法适应现代数字电路的开发。

现代数字电路设计技术是从传统的数字电路设计技术发展而来的，它利用VHDL 语言开发设计硬件是硬件设计方法的一次重大进步，打破了硬件设计和软件设计的界线，我们只需完成对逻辑功能的描述，就可借助软件进行处理生成硬件电路，修改电路只需修改逻辑功能描述，就像修改软件一样方便。基于大规模集成电路，即可编程逻辑器件的设计不仅使设计的过程得以简化，而且电路的功能和可靠性也大大提高了，其是目前数字系统设计的主流，是现行工程实践的需求。EDA技术已成为现代电子工程师所必须具备的技能。该课题在数字电路实验教学中引入可编程逻辑技术，开展硬件实验与EDA软件相结合的新型实验教学模式[6]，能让学生尽快跟上最新电子技术的潮流，也为后续课程打下基础。

对于两年一度的全国大学生电子设计竞赛，让学生尽快接触可编程逻辑技术也显得十分必要。全国大学生电子设计竞赛目的在于推动高等学校对信息与电子类学科课程体系和课程内容的改革，有助于学生工程实践素质的培养、提高学生创新能力和协助精神，和利用课堂所学基本理论基本技能解决实际问题的能力。竞赛题目以电子电路（含模拟和数字电路）应用设计为主要内容，可以涉及模-数混合电路、单片机、可编程逻辑器件、EDA 软件工具和PC 机的应用，具有综合性、创新性和现实意义。由此可见，掌握可编程逻辑技术，对参加全国大学生电子竞赛必不可少。通过对电子技术课程的改革，学生能更早接触可编程逻辑技术，并有尽量多的时间进行深入的学习和实践的锻炼。该课题分析研究了部分全国大学生电子设计竞赛题目，将其分解为若干模块作为设计课题，让学有余力的学生课外实现。这些设计课题是课堂教学内容有益的扩充，为有意于参加全国大学生电子设计竞赛的学生打下坚实的基础。

3.1.5 注重实验项目的可延伸性和拓展性

电子信息类专业开出的电路分析基础、电子技术、单片机技术、EDA 技术、SOC 技术、嵌入式系统等具有较大相关性的课程为一个课程系列有机体。电子技术课程的教学要兼顾其后续课程的衔接，包括基础知识的衔接、实验内容的过渡、设计项目的可延伸性，以及对创新能力培养的铺垫等，尽可能为后续课程营造良好的接口。同样是交通灯控制，可以用中小规模数字电路实现，也可以用单片机或可编程逻辑器件等实现，实现的方式不一样，效果也就不一样。又如可调稳压电源，调节方式可以是电位器手动调节，也可以是数控调节，两种方式的精度不可同日而语。该课题在设置实验项目的时候，除了给出基本的实验内容外，还指出一些拓展方向，供学有余力的学生自主去探索，去实践。虽然后续有EDA技术等课程，但是仍然在数字电路实验中让学生提前接触先进的EDA技术，一个目的是为后续课程打下坚实的基础，另一个目的是让学生能有更多的时间为参加全国大学生电子设计竞赛做知识的储备。

3.2 培养方案上的改革措施

在培养方案上，传统的方案将数字电路课程放到电路分析基础和模拟电路课程后面，导致学生在面对大量基于数字技术的后续课程（如EDA、微机接口、DSP、ARM 等）时，表现得起点过低，导致学习效率低，实践能力的提高困难。到毕业时，大量课程都没能达到预定的学习效果。

笔者认为，作为电子信息类专业培养方案中自主创新意识的启蒙课程，必须将数字电路课程提前，并缩短理论授课课时及增加实验课课时，提高综合性和设计性实验项目的比例，提高基于现代电子技术的自动化设计实验的比例，强化学生的自主、研究与合作式学习，在数字电路的基础理论、实践能力和创新精神这三方面着力，为学生后续课程的学习打下坚实的基础，让其有能力提早进入课外科技活动，并提高就业率、就业质量和考研通过率。

3.3 师资方面的改革措施

现代电子技术日新月异，一日千里，高校教师作为学生学习知识的引路人，首先要跟上时代步伐，不断更新自己的知识结构，在教学内容和教学方法上不断创新，才能培养出适应社会需求的大学生。

为了提高实验教学的质量，须加大力度引入高学历的教师从事实验教学，努力引进有工程背景的双师型教师，鼓励教师参加教学比赛、创建精品课程，并通过进修、参观、交流、带学生开展课外科技活动、下企业帮扶、当科技特派员等措施提升自己的知识水平和教学水平。

3.4 实验室建设方面的改革措施

实验室建设是实验教学得以开展的基础。为提供更好的实验教学条件，除了努力争取实验室建设经费外，还可以借助学科专业建设、冲补强提升计划、提毛工程、教科研项目、校企共建等机会改善实验室条件，以及借助开展线上线下混合教学、虚拟仿真实验等方式减轻实验室压力。

具体到电子技术实验，很多电子技术基础实验采用在综合实验台或实验箱上接插电路模块的形式进行实验，优点是简单方便，缺点是接线困难，不利于更改电路，不利于学生分析思考和实践能力的锻炼，同时电路设计固定落后，跟不上时代的潮流。

基于上述改革思路，在现代电子技术实验室里，学生须完成电子技术的基础实验，也要进行一系列复杂的综合性和设计性实验。既要进行硬件电路的搭建实验，也要通过EDA软件进行电路的开发实验。现代电子技术实验室除了配置电源、信号源、万用表、毫伏表、示波器、面包板等常规的实验设备之外，还需配置一些开发板和计算机，并安装常用的电子设计和仿真软件[7]。也可以在常规的电子技术实验室旁边设置电子设计自动化实验室，采用计算机+开发板或实验箱的方式。大部分仿真实验由学生在课余时间完成，到实验室完成的工作主要是电路组装、上机调试和验证。

常规的电子设计自动化实验室采用的是计算机+开发板或实验箱的模式。这种方式一则昂贵的开发板或实验箱容易损坏，难以管理，二则受实验场所和时间限制，限制了学生实验的机会。笔者所在学院在配置了计算机+开发板的基础上，还配置了FPGA在线实验平台。FPGA 在线实验平台不同于单纯的虚拟仿真实验，学生操作的是真实的硬件设备，学生也能得到硬件设备的反馈信息。FPGA 在线实验平台的好处显而易见。通过FPGA 在线实验平台对开发板统一管理，解决现场实验易造成开发板损伤、短路、丢失的难题，让老师从开发板管理、回收、发放的繁琐工作，以及实验过程监控、实验结果评测和学生实验管理中解脱出来，同时学生可以随时随地在线访问实验资源做实验，既克服疫情期间集中实验的难题，也为学生实验和老师的管理工作提供了便利。

笔者所在学院成立了学生创新实践基地，主要用于学有余力的学生课外开展科研、竞赛等实践活动，也可以作为毕业设计和课程设计的场所。学生创新实践基地为完全开放的实验室，配置有常规的实验仪器，还设置了元器件库，为学生提供常规的元器件、工具及开发板。依托学生创新实践基地，笔者所在学院组织了学生科研团队，配置了指导老师和管理老师，组织学生开展了“手把手教你焊电路”、“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、广东省工科大学生实验综合技能竞赛、广东省以及全国大学生电子设计竞赛等一系列的课外实践活动，并取得较好的成绩。以赛促学，以赛促建，不仅培养了一批专业能力强的应用型综合性人才，而且也进一步提高了人才培养质量。

4 结语

通过多年来对电子技术实验教学的研究，该课题在教学内容、教学方法和教学的手段，以及师资力量的培养和实验室的建设等方面进行了有益的探索，并取得了一系列的成果。大量的学生提高了实践动手能力和创新能力，为后续课程的学习和参加各种电子设计竞赛，以及将来走向工作岗位都打下了坚实的基础。相关老师在实验教学改革中更新了知识结构，紧跟时代潮流，教学能力和教学积极性也得到了提高。