数字逻辑电路立体化实验教材建设

摘 要：从实验教材的建设背景出发,分析目前实验教材存在的问题,阐述立体化教材的概念,从实验教材的编写思路、实验内容编排、实验报告规范、数字化的实验资源4个方面探讨数字逻辑电路立体化实验教材建设的体会.

关 键 词：数字逻辑电路；立体化实验教材；实验报告

0引言

教育部《关于全面提高高等教育质量的若干意见》的第八条明确提出强化实践育人环节.制订加强高校实践育人工作的办法,强化实践教学环节,结合专业的特点和人才培养要求,分类制订实践教学标准,增加实践教学比重,确保各类专业实践教学必要的学分（学时）,配齐配强实验室人员,组织编写一批优秀实验教材,提升实验教学水平.“十二五”以来,这些有关加强实验教学改革文件的出台,表明深化实践教学方法改革,加强学生实践能力和创新能力的培养,已经到了刻不容缓的地步.教育部指出,要把加强实践教学方法和人才培养模式改革作为专业建设的重要内容.加强实践教学,实验教材改革是改革教学内容和教学方法的关键一环,实验教材质量的好坏、水平的高低直接影响到学生的培养质量.

1目前实验教材存在的问题

目前,我国高校实验教材整体上没有摆脱依附并服务于课程的格局,而且以单一的纸质实验教材为主,其他形式的实验资源比较匮乏,传统教材能满足系统化实验教学的需要,但在培养学生创新能力和实践能力方面存在明显的不足.近年来,很多高校对传统实验项目和内容进行了一系列改革,减少了验证性实验项目,增加了综合性、研究性和设计性实验项目,但仍然没有脱离课程体系,只是传统实验项目的修改与增删,还是按照原有的知识体系,配合理论教学而开展的辅助性实验教学活动,其目的仍然是为了强化理论教学,帮助学生巩固和掌握理论知识,没有把学习方法作为实验教学的重点加以重视.在实验教材的内容编排上还是按照实验目的与原理,操作步骤与方法这一传统教材的样式,并没有从引导、启发的角度进行组织,一些学校自己印刷的实验指导书,离正式出版还有一定的距离,也没有其他数字化的辅导性材料.总之,现在的实验教材,按照粗放而统一的要求,让学生“按方抓药”式地进行验证,学生的自主学习能力和创新能力得不到锻炼.

“十二五”以来,深化实践教学改革,加强学生实践能力和创新能力的培养,实验教材的建设已引起各高校的重视.同时,科技的发展与知识的更新也促进了实验教学设备的改进,也促进实验教材的改进.因此,在实验教材的建设上,针对上述问题,必须按照学生的能力体系来构建实验教学体系,把信息技术与实验教学内容进行有效整合作为一个重要任务来抓,在写好传统纸质教材的同时,建设适合开放教学和创新能力培养要求的多媒体实验教学资源.

2数字逻辑电路立体化实验教材建设

学习最终还是要归本的,教材是学生学习的主要参考书和理论依据,立体化实验教材主要包括实验教程（主教材）、实验报告、多媒体课件以及其他与实验有关的实验教学资源,立体化教材提供了一种综合性的教学资源,加快了实验教学内容、教学体系和教学方法及手段的改革,优化实验教学过程,推动创新教育模式,教材质量的高低会对教学效率以及学生学习水平产生直接的影响.数字逻辑电路的实验内容具有一定的独立性,实验项目的设置、实验软件的使用、仪器设备、实验开发语言等在理论课中很少涉及,因此,开发数字逻辑电路的立体化实验教材具有可行性.笔者将从实验教材的编写思路、实验内容编排、实验报告规范、数字化的实验资源等4个方面来探讨数字逻辑电路立体化实验教材建设.

2.1实验教材的编写思路

为了配合开展实践教学及适应教学改革的需要,提高实验教学质量,要不断改革实践教学内容和教学方法,高质量的实验教材是关键,为此我们组织技术骨干编写实验教材.在数字逻辑电路立体化实验教材的建设上,除了介绍实验的基础理论知识外,坚持“以高水平的实验吸引人、以数字化的资源方便人”为宗旨,以提高学生实际动手能力和工程设计能力为目的,尊重学生的个性差异和工程素养差异,精心选择实验教学内容.

2.2实验教材的内容编排

在实验大纲允许的范围内,我们采用的方法是“给通才定规则,给天才留空间”,在实验教材的编写过程中,在大纲规定的基本要求的基础上,精心选择了新颖、有趣,实用性、可行性较强,有助于培养创新型人才的15个不同难度的基础实验和5个典型的综合性、设计性实验,可供不同专业、不同层次、不同学时数的学生使用,这些实验基本包含了本专业课程标准要求的相关知识点,帮助学生将教材上的分立知识点有机地、系统地联系起来,培养综合分析、设计、制作和调试的能力.设计的每个实验项目都具有一定的层次性,即同样的实验项目,可以设计的简单些,也可以设计的复杂些,分层次对学生提出要求,对能力差的学生,引导其如何将理论与实际结合起来,把设计思想弄清楚,使其有能力完成实验的基本要求；对能力强的学生提出更高要求,采用启发式的方法,充分发挥学生的主体作用,鼓励他们根据自己的能力,提出多种设计方案,体现教学内容的可伸缩性和开放性.

实验预习是提高实验效果的一个重要环节,只有预习充分,实验操作时才会做到思路清晰.实验预习质量的高低取决于实验教材的质量.为此,在编写实验教材时,对每个实验项目除了常见的实验目的、实验原理、实验内容、实验步骤外,对实验预习、实验思考与提高等也提出明确要求.在预习要求中明确了实验预习必须完成的任务,要求学生理解每一个实验的实验原理、编写或完善实验代码等强制性的任务,从而增加了学生对实验原理、开发语言、实验代码的理解.在实验过程中按照实验步骤完成实验要求,在完成实验的基本要求后,通过实验思考与提高来提高学生的分析与设计能力.例如,在进行7人表决器电路的设计时,设计方法很多,可以使用原理图方法实现,还可以使用VHDL语言实现,而使用VHDL语言可以使用行为描述、结构描述、数据流描述3种方法.在实验思考与提高中,要求学生比较各种实现方法的区别,可以对实验提出更高的要求,如要求将表决结果在数码管显示出来、7个人中有一个人具有否决权、限制表决时间等提高要求,要求学生修改代码实现相应功能,从而加深对组合逻辑电路设计的理解和硬件描述语言描述组合逻辑电路的方法.2.3实验报告格式的规范

“问题式”教学或“任务式”教学是经常采用的有效的教学方式,有利于学生明确学习目的,能够激发学生的学习积极性,改善以往被迫学习的方式,变被动为主动,增强实践动手能力.计算机科学是一门实践性很强的学科,强调的是“做中学”,就是指在完成实验的过程去学习,在完成报告中去加深理解.实验报告是实验过程的记录、实验现象的分析和实验的总结,书写实验报告是实验教学的重要环节.

在数字逻辑电路实验中,我们规范了实验报告内容和要求,并单独印刷成册,在实验报告的设计上,改变以往使用统一的实验报告纸的形式,实验报告中不需要学生抄写实验目的、实验原理等内容,而是将实验内容和要求设计成各种不同的任务,按照实验步骤来完成这些任务时就完成了实验报告.在报告中,只需写出实验代码 的关键部分,调试实验代码、画出实验的仿真波形、写出设计中的管脚分配关系,使用测试数据进行实验验证、分析实验现象、将实验过程中出现的问题进行实验总结,回答实验思考题,从而加深对实验原理的理解,提高设计能力.通过书写实验报告,培养了学生认真做好实验,仔细观察实验过程中所发生的现象,有利于加强对理论知识的理解和记忆,促使学生重视基本技能的学习及应用.一份高质量的实验报告应能反映出学生的综合素质,如高度的注意力、敏锐的观察力、丰富的想象力、准确的判断力、科学的思维能力和正确的表示能力.

2.4开发丰富的数字化实验资源,构建网络化的实验教学辅助平台

数字化实验教学资源是立体化实验教材的重要组成部分,可以解决目前实验教学资源相对单一的问题,在进行实验教材建设时,利用网络技术开发数字化实验教学资源,构建网络化的实验教学平台.在数字化实验教学资源建设时,要避免实验教材的电子化,开发能满足创新人才培养、适应开放式实验教学要求的多媒体实验资源,使学生能借助校园网络环境,利用数字化资源进行实验前预习、讨论,甚至自行提出实验方案,开展实验后总结和实验数据分析.网络化的实验教学辅助平台,主要包含实验仪器的使用、开发软件的使用,实验中常见的问题及解决办法,让学生借助辅助平台解决实验过程中出现的问题,这样减轻了教师的指导工作,同时也为开放实验教学提供条件.学生通过对数字化实验教学资源的有效利用,革新了传统“按部就班”式的实验教学模式,激发学生的主观能动性,调动师生积极参与实践活动,在实验中提高了学生分析问题、解决问题的能力,培养其创新意识和创新能力.

3结语

立体化实验教材建设实现了实验教学信息化、网络化.整合实验教学资源,优化实验教学要素的配置,是一种新型的整体实验教学解决方案,不仅充分考虑到任课教师的教学需要和学生的学习要求,还能促进教学改革的不断深入,促进教学水平的不断进步和教学质量的不断提高.数字逻辑电路立体化实验教材的纸质教材、实验报告已使用了两年,电子课件以及数字化实验资源及辅助实验平台也在实践中得到完善,满足了个性化、层次化、开放性实验教学的要求,有利于大学生自主学习能力和创新能力的培养,也为培养适应信息化社会学习、生活和工作的高素质人才奠定坚实的基础.目前《数字逻辑电路设计实验教程》已作为高等院校实验与实践系列示范教材在清华大学出版社出版,对计算机硬件课程的实验教材建设具有一定的示范作用.