1、dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术238|基于口袋实验箱的“数字系统综合设计”课程教学改革探索丁凯，肖慧娟（通信作者），陶铭，谢仁平，李广明，黄培灿东莞理工学院计算机科学与技术学院，广东东莞523808摘要：本文分析了“数字系统综合设计”课程在高校计算机科学专业人才培养中的教学特点和目标，并对该课程的实践教学环节进行了一系列的探索和研究。首先总结了该课程在实践教学方面存在的一些不足，然后结合东莞理工学院“数字系统综合设计”课程教学改革实践，从教学内容、教学方式、实验资源和考核方式等方面，探讨了该课程教学改革的思路和方法。实践表
2、明，新的教学模式有助于增强实验的灵活性，引导学生独立思考、自主探究，锻炼学生的创新思维和工程意识。本文为计算机硬件类课程的教学改革与实施提供了参考。关键词：数字系统综合设计；口袋实验箱；混合式教学；教学改革中图分类号:H191文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2022.12.053 0引言“数字系统综合设计”是计算机科学与技术专业的必修课，是“计算机系统I”课程实践的深化教学。课程介绍了数字电路常用器件的功能和辨识方法、常用实验工具的使用方法、数字电路搭建和调试方法。课程开设了多个验证性、设计性和综合性实验项目，其中一个大型综合实验不仅要求仿真实现，还要做成电路
3、实物。通过这些实验项目，使学生掌握数字系统设计实现的步骤和方法，提高硬件设计和制作能力。本课程的工程实践性强，传统教学方式以计算机仿真、插拔线式实验箱为主，实验方式固化，灵活性不高，导致学生实践能力薄弱，理论理解不深刻，学习兴趣不高。因此，“数字系统综合设计”课程教学改革迫在眉睫。本文总结和分析了“数字系统综合设计”课程的特点和以往教学中存在的问题，以东莞理工学院计算机科学与技术专业作为课程改革对象，从教学内容、教学方式、实验资源和考核方式等方面进行了探索与改革。为了增强实验的灵活性，激发学生的学习兴趣，课程组自主开发了口袋实验箱，建设了丰富的自主学习资源以及便捷的实验平台，结合启发式教学方法
4、，增设大量的具有应用性、系统性和导学性的设计性和综合性实验项目，增加了答辩作为实验考核的重要环基金项目：本文系广东省高等教育教学改革项目“计算机系统基础课程混合教学中线上线下教学一体化设计”（项目编号：粤教高函 202020 号）；东莞理工学院课程思政示范项目“计算机科学与技术（课程思政示范专业）、数字系统综合设计（课程思政示范课程）”（项目编号：教务 202226 号）；东莞理工学院 20202021 学年高教研究项目（重点课题）“新高考背景下新型高水平理工科大学面向过程的大类招生培养探索与实践”（项目编号：高教通 20212 号）；东莞理工学院 2021 年校级质量工程“系统与网络课程教研
5、室（课程教研室）、数字系统综合设计（项目化课程）”“基于思维导图的计算机类课程知识图谱可视化研究及应用实践（实践性教改）”（项目编号：教务 202190 号）；东莞理工学院第二批“三全育人”综合改革试点（品牌示范项目）“计算机学院“三全三融”双创育人体系建设”（项目编号：莞工党办 202116 号）作者简介：丁凯，男，陕西安康，讲师，研究方向：物联网，智慧城市，机器人技术。通信作者：肖慧娟，女，江西宜春，教授，研究方向：混沌保密通信技术。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|239技术应用与管理节，实现培养具有创新意识和工程实践能力的高素质工程型与应用型创新人才的课程改革目标。1“数字系统综
6、合设计”课程教学中存在的问题1.1实验课程以仿真为主一般院校均采用计算机仿真的方式开展实验：将设计好的电路图通过EDA（Electronic design automation，EDA）软件进行实时模拟，模拟出实际功能，然后进行分析改进，从而实现电路的优化设计。常用的EDA软件有Proteus，LTspice，Tina-TI，Multism，Scratch等。运用软件进行仿真，对于加深学生理解电路基础知识具有一定的帮助和促进作用。然后，尽管仿真技术可以实现电路设计模拟，但是仿真与真正意义上的电路设计和实现还是有较大的差距，仿真技术无法真正取代真正的电路设计，如果学生对计算机硬件的学习，仅仅局限
7、于仿真模拟，不动手制作实物电子作品，那么他们的计算机硬件分析和设计实践能力难以得到真正的锻炼和提高1。1.2实验多以验证性为主传统的实验教学以验证性实验为主，设计性和综合性实验相对较少。数字系统综合设计的验证性实验通常是由教师给出电路图和实验操作步骤，学生按照实验操作步骤绘制电路图，对已知的结论进行再次验证，可以促使学生对基本概念的掌握，理解“实践是检验真理的唯一标准”这一哲学原理。验证性实验可以训练学生基本的实验技能，加强学生使用仿真软件的熟练度，提升学生撰写实验报告的写作能力，培养学生对本课程的兴趣2。然而，由于验证性实验的操作过程是按部就班实施的，而且实验结果均在预料之中，学生难以遇到真
8、实设计过程中遇到的各种不确定性因素和问题，缺乏独立思考、自主探究和处理复杂问题的机会。1.3实验设备比较老化目前，有些院校采用插线板式的硬件实验箱开展数字系统相关实验，在实验中，学生只需要按照实验指导步骤，通过插拔线的方式连接电路，接通电源并调试后即可观察到结果，这种实验方法操作简单，可以帮助理解所学的理论知识。然而，插线板式的硬件实验箱电路固化，灵活性不高；实验内容受到限制，以验证实验为主，不能设计较复杂的实验；实验项目往往针对单一课程，扩展性不强；插拔线实验箱往往体积较大，通常不可带出实验室；学生实验时按部就班，通过插拔线进行操作，不易领悟背后的原理，难以锻炼动手能力。同时，这种硬件实验箱
9、维护比较麻烦，插线、拔线操作繁琐，元器件老化较快，损坏后更换困难，经常需要厂家来学校维修1-2。基于以上对“数字系统综合设计”课程中存在问题的分析，本文从实验课程内容，实验类型设置，实验设备改进和实验考核方式改革几个方面进行了改革和探索。2课程教学目标的明确在“新工科”建设背景下，在对行业/企业、用人单位、高校、校友进行调研，以及对本院系师资队伍基础、软硬件条件及教学、科研特色进行调研的基础上，参考工程教育专业认证标准，以应用为本、学生为本、特色为本、课程为本为基本原则，以帮助学生打下扎实的专业基础、提升专业能力、培养科学思维为根本目标，确定了本课程的教学目标3。（1）能力目标。掌握数字电路分
10、析与设计的一般方法，培养工程问题的分析能力和解决能力；培养数字电路实验研究的能力，具有计算机数字系统开发的初步能力；培养学生硬件实验研究能力；具有设计实验、执行实验以及分析实验结果的能力；具有使用计算机辅助软件设计电路的能力。（2）素质目标。培养学生探究工程科学的兴趣、独立思考的习惯和严谨的科学态度；养成dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术240|勤于动手、善于动手的习惯和能力，具有理论联系实际的工程意识和逻辑推理的思维习惯；逐步培养学生从事工程技术工作的素质和能力。（3）知识目标。具备数字电路实践的基本技能，为专业学习打下硬件
11、基础；认识常用数字器件及功能，熟悉数字系统设计的常用软硬件工具，如Proteus仿真软件、电路测试的万用表；掌握数字系统设计开发的一般步骤和方法，具有设计和实现简单数字电路的基本能力。3课程教学改革探索与实践3.1口袋实验箱设计为了方便学生有效地开展实验，使实验不受时间、地点限制，课程组自制了150套口袋实验箱，发放给学生人手一套。口袋实验箱最早是由美国斯坦福大学Clifton Roozeboom博士提出的，随后，英国的德蒙福特大学设计一款以ARM为核心的开发板，供学生实验和项目开发使用，一种新的教学模式孕育而生4-5。口袋实验箱，使用灵活，体积小，可携带，仅为传统的1/3大小，模电、数电、单
12、片机、嵌入式、硬件毕业设计等都可以用到。目前，集成芯片的快速发展为口袋实验箱提供优越条件6。本课程组结合“数字系统综合设计”中的实验项目，研发设计了便于学生自主实验的口袋实验箱，实验箱中包括面包板、电阻、LED、数码管、二选一微动开关、芯片（7400,7404，7410,7420,7430,74147,4511等）、电源线、镊子、剥线钳、导线、万用表、元件盒等设备和元器件。图1和表1分别为课程组自制硬件口袋实验箱与厂家插拔线式实验箱外观及性能对比。自制口图 1自制硬件口袋实验箱与厂家插拔线式实验箱对比袋实验箱拥有大面积面包板实验区，实验设计灵活性大，可做较大规模实验；面包板连线，更易领悟原理。
13、学生领取口袋实验箱后，可以在课后自主设计制作实物实验作品，相当于进行了电子工艺实习。自制口袋实验箱具有“小身材，大能量，开源性”的优点，方便学生二次开发，无论何时何地，学生都可以实验和二次开发，增强学生积极性和创新性。3.2实验教学内容设计课程组对数字系统综合设计课程教学进行了改革，将部分理论教学内容设计成实验项目教学，精心设计了大量具有应用性、系统性和导学性的设计性和综合性实验项目，取代了部分验证性实验项目。大部分实验项目源自于生产实践，理论教学和实验教学内容全覆盖课程内容，项目设计不仅是为巩固理论知识服务，更是要求从中完成理论知识的学习，即项目具有较强的导学性。改革后的实验课程包括6个实验
14、，其中有1个验证性实验，3个设计性实验，2个综合性实验，学生从两个综合性实验中选择一个完成实表 1自制口袋实验箱与传统插拔线式实验箱性能对比实验箱体积服务课程实验自由度实验规模理解原理传统插拔线式实验箱体积大，不可带出实验室单一课程电路固化，实验灵活性小小规模实验插拔线操作，不易领悟原理自制口袋实验箱体积小，可携带，传统的 1/3 大小模电、数电、单片机、嵌入式、硬件毕业设计等都可大面积面包板实验区，实验设计灵活性大可做较大规模实验面包板连线，更易领悟原理 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|241技术应用与管理物作品制作。实验项目名称为：数字系统仿真软件及实验器材的使用（验证）；单脉冲计
15、数器的设计仿真实验（设计）；循环流动彩灯设计仿真实验（设计）；三路可存储计分器设计仿真实验（设计）；带抢答定时和得分统计的数字抢答器的仿真和电路制作（综合）；交通灯设计仿真实验（综合）。通过开设更多的设计和综合性实验项目，让学生接触电路设计过程中遇到的各种不确定性因素和问题，引导学生独立思考、自主探究，锻炼学生的动手能力和分析问题、解决问题的能力，间接促使学生对理论知识部分的深入理解。3.3采用启发式教学理念设计实验为了增加设计性和综合性实验的数量，提高实验的质量，本项目组采用启发式教学理念，对实验教学和授课方式进行了改革。在改革中我们发现，对于设计性和综合性实验，其电路相对比较复杂，若不给出
16、电路原理图，学生设计时无从下手；若给出电路图，势必影响培养学生独立思考、解决问题的能力。为此，我们将实验项目功能分解成多个部分，启发式讲解各部分的电路设计思路，引导学生进行设计。例如，对于多功能抢答器的综合实验，我们将电路功能分解为输入信号接入电路、按键开关的数码显示电路、时钟信号发生器、后续抢答封锁电路、计分电路、倒计时电路和抢答鸣响电路，然后运用启发式教学方法，分别引导学生对各部分的电路原理进行理解和思考，按照各个击破的原则，分别完成各部分电路的设计，然后再汇总为总电路，实现实验计划中的所有功能。启发式教学不仅可以将复杂的电路设计问题分解为多个相对简单的电路设计问题，引导学生独立思考、自主探究，还可以增强学生们的学习信心和兴趣。3.4加强自主学习和自主实验资源建设为了方便学生进行自主学习和自主实验，课程组在原有教学资源的基础上，设计新的教学内容、教学安排、教学方法和考核方式，建设了完善的自主学习与自主实验的教学资源，且使用方便。编写了教材数字逻辑与计算机硬件基础，教材包含理论知识和实验项目两部分内容，即将由清华大学出版社出版；制作了完善的视频资源，如：扫描实验资料中的二维码可以观看
