软件学院电子技术综合实验教学体系建设.docx

          软件学院电子技术综合实验教学体系建设                    迟宗正，于成，高新岩，刘旸[来自www.LW5u.coM]，李大奎（大连理工大学 软件学院，辽宁 大连 116024 ）摘　要：针对全国各大高校软件学院硬件课程体系建设存在的不足，分析软件学院硬件课程在教学过程中的重要作用，以大连理工大学国家示范性软件学院为例，提出建设以模拟与数字电路实验为基础的电子技术综合实验教学体系，从实验园地建设、虚拟实验仪器研发、开放式课程建设和实验考核改革试验等几个方面介绍实施过程关键词：实验园地；开放式课程；虚拟实验仪器0 引言以模拟与数字电路实验为基础内容的电子技术综合实验是一门综合性的实践课程，其内容不再局限于某一门课程，而是将数字电子技术、模拟电子技术、EDA技术、单片机硬件技术以及通信原理硬件实验等多门课程相互渗透，有机融合电子技术综合实验教学除了融合多门相关课程外，还在教学手段上开辟新思想，将基础实验教学自主选课和提高实验课程预约开放式教学紧密结合，在“开放”的状态下采用任务驱动模式，激发学生的创新能力，并设计和实现虚拟实验仪器软件用于软件学院实验教学[1-2]。

1 研究现状、不足及意义1.1 研究现状及不足分析重庆大学通信工程专业的电子技术实验精品课构建了一套电子技术综合实验教学体系，该体系包含基础性的电子技术实验教学和提高性的实验教学，并在后者中引入了EDA综合设计成都电子科技大学电子工程学院专门设立了名为“电子技术综合实验”的基础实验课程，重点培养学生模电、数电、电路与系统、数字信号处理、单片机控制、EDA技术等多门课程的综合应用与综合设计能力[2-3]通信、电子等硬件类专业都在着手构建电子技术综合教学体系，而目前国内众多的软件学院中，还没有一所提出构建“软件学院电子技术综合实验教学体系”的教学改革活动北京大学将软件工程与微电子两个专业放在同一学院办学，但也没有面向软件工程、网络工程、嵌入式等多专业的模拟与数字电路实验课程因此，大连理工大学软件学院构建“软件学院电子技术综合实验教学体系”的教学改革实践能够起到“示范性”的作用1.2 研究意义软件学院的办学宗旨基于“精英型软件人才”的培养目标，因此一般软件学院通常开设软件工程和网络工程两个专业方向，大连理工大学软件学院为了强化“精英型软件人才”的培养目标，在本科二年级开设了嵌入式和物联网两个专业方向，学生要学习这两个方向必须具备很好的硬件基础，这也是我们面向本科学生开设电子技术综合实验课程的原因之一。

很多人认为，软件学院的学生只要学好软件即可，学习硬件没什么用处，因此建议从培养计划中取消电子技术基础教学但根据以往的经验，硬件知识扎实的学生毕业后很容易自学软件开发，而仅会软件开发的学生很难靠自学熟练掌握底层硬件知识很多软件学院在培养计划中取缔电子技术综合实验教学但保留了计算机组成原理这一硬件课程组成原理的知识很抽象，作为计算机组成原理前导课程的电子技术基础如果没有学好，会影响后续课程的学习在软件学院的教学建设中普遍存在硬件综合实践环境建设不足、教师引导不够等现象，导致学生仅对开发工具、数据库、计算机网络等课程感兴趣，而对硬件技术及其应用研究望而生畏，这对培养高水平、高素质、应用性示范性软件人才是极为不利的[4]2 构建课程体系教学模型根据现代教育理念和创新要求，学院电子技术实验教学课题组积极探索实验教学的新技术、新方法和新手段，采取分层次、分阶段、循序渐进的模式，由浅入深、从简单到综合，以基础实验教学为主，辅以开放式提高性实验教学；通过开放式教学，鼓励学生自主立项，充分调动学生的积极性和主动性，并激发学生的创造性构建电子技术综合实验教学体系如图1所示新构建的电子技术综合实验教学体系以基础模拟实验教学和基础数字电路实验教学为主，以开放式实验课程为辅，其中3门开放式实验课程（单片机硬件电路实验、通信原理硬件实验、FPGA编程实验）作为提高性、综合性实验来培养高水平硬件人才。

实验园地建设能够为开放式实验课程提供更多的教学素材，丰富课堂内容，激发学生学习硬件的兴趣虚拟实验仪器教学响应全球各大高校提出的“足不出户上大学”的号召，借助虚拟实验仪器，让学生通过网络完成理论学习和实验操作，这是软件学院电子技术综合实验体系独有的特点开放式电路实验教学由单片机硬件原理实验、FPGA编程和通信原理实验3门课程构成，主要从组织形式、实验内容以及考核方式等方面进行改革创新，体现了办学的灵活性，有益于培养学生的创新能力3 课程体系建设构建电子技术综合实验课程体系主要从教学内容、教学手段和考核方式等方面入手，具体体现在实验园地建设、虚拟实验教学平台建设、开放式实验教学建设和实验考核方式探索建设等3.1 实验园地建设建设电子技术综合实验园地是本课题要实现的基础目标，是构建学院电子技术综合实验教学体系的基础实验园地的所有素材由实验教师承担建设，素材建设应针对不同水平的学生，形成验证性、设计性、综合性等层次化实验教学如图2所示，实验园地建设分为以下几大组成部分１）实验基本技能训练园地实验基本技能训练园地主要包括：查找参考资料完成实验预习；总结实验报告的书写要求；电路设计仿真软件的使用方法；单片机原理硬件实验中嵌入式C、汇编语言集成开发环境的使用；FPGA设计中VHDL、Verilog的ISE集成开发环境的使用；电路板原理图、PCB板图的设计；电路焊接的基本技能等。

２） 专用仪器设备园地参考设备使用说明书和设备介绍课件指导学生学习如何使用示波器、万用表、函数信号发生器、电子技术实验箱等设备３）基础模拟与数字电子技术实验园地按照基础模拟与数字电子技术通用的理论教学，实验园地可分为常用电子元器件、模拟电路模块、数字逻辑和数字电路模块以及可编程逻辑器件模块四大模块，其中部分模块建设如图3所示４）演示实验教学园地演示实验教学园地分为实物演示实验教学、虚拟仪器实验和电路仿真实验三大模块演示教学园地由各个模块的演示视频组成，例如图3是数字电路模块在实验箱上的实物功能演示视频截图虚拟仪器实验教学演示介绍虚拟实验仪器的使用；仿真实验教学演示展示采用EDA仿真实验结果，并与实际电路结果进行比对，验证正确性５）提高性实验园地提高性实验园地的建设是构建“电子技术综合实验教学体系”的关键，是将电子技术综合实验教学与软件学院的教学体系和培养目标联系起来的重要环节，体现硬件实验教学的重要性和关联性3.2 虚拟实验教学仪器研发虚拟实验教学仪器的研发响应教育部提出的积极推广大规模开放式网络教学平台的号召，实现“足不出户上大学”的远程教育模式虚拟实验教学平台采用C/S架构，用户可通过本地客户端选择登录的角色（包括学生、教师和管理员），输入学号、姓名和密码连接远程服务器。

连接远程服务器之后，用户可以根据自己的电路设计进行电路搭建每一个电子元器件都被设计成控件，可采用拖拽的方式搭建电路该软件支持视图的切换，点击元器件图标可以从电路整体视图切换到该元器件的单独视图如图4所示，上边是学生登录之后搭建的简单电路，下边是点击示波器之后的示波器视图，虚拟示图模拟实物示波器，通过点击示波器上的按钮进行波形获取、调试和测量3.3 开放式实验教学开放式实验教学主要包含单片机硬件实验、FPGA编程硬件实验和通信原理硬件实验3门课程3门实验课以“开放式”实验为依托，以项目驱动模式进行，学生自行分组，根据兴趣自选题目，然后上报任课教师；通过教师审核后，学生开始实施项目，根据项目需求购买相关的电子元器件实现项目设计开放式课程的教学方式不拘泥于 “先理论教学，然后实验验证”的传统模式，而是采用“先实验，后理论”的方式，让学生带着实验验证的结果和实验中遇到的问题去听理论课[5]开放式课程的考核采用分组答辩的形式，学生借助PPT讲解自己的设计，配合实物演示，任课教师对整个过程进行综合评分3.4 实验考核方式针对目前电子技术课程考核方式存在的不足，该实验教学采取考试考核方[来自www.lw5u.Com]式。

题目采用A、B卷形式，考试题目是六路流水灯的设计与实现，A卷和B卷的实验结果是一样的，但采用了不同的芯片组，核心芯片74HC161、74HC154、74HC00、74HC106和CD4050都一样，而与非门芯片分别采用74HC10和74HC20考试总共分为两个阶段，第一阶段学生阅读试卷，并根据实验要求和提供的芯片组进行设计，第二阶段学生参考设计好的电路图，借助导线将元器件搭建起来，使用示波器观察现象，并在实验箱的八位逻辑电平显示区域观察实验结果考试的最终成绩包括设计和实验操作两部分：设计按点评分，每个设计点都事先规定具体的分数；实验操作根据完成实验的快慢分等级，而未完成实验的同学，则根据完成电路的部分给分，电路的每一部分都事先规定具体分数4 结语目前，实验园地已经基本建设完成，随着课程的进行将不断完善，学生借助实验园地更快地进入状态，大大缩短了实验课堂上的讲课时间；学生通过虚拟平台提前在PC上模拟搭建实验电路，提高了预习效果，加快了完成规定实验内容的速度，留有更多时间深入研究选做内容；在电子技术开放实验课中，学生自己选题，设计、制作实现时钟、电子琴等，培养了操作能力和创新能力；考试考核方式提高了评估学生能力的准确性。

不过，在具体实施过程中我们发现，初期方案存在一定的不足，虚拟实验教学仪器功能仍需完善，许多实施细节将是下一步的研究探索重点  -全文完-。