數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)改革與實踐

劉 戀，郭立強(qiáng)(.淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇淮安 3300；.淮陰師范學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 3300)

數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)改革與實踐

劉 戀1，郭立強(qiáng)2
(1.淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇淮安 223300；2.淮陰師范學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223300)

數(shù)字電子技術(shù)是電子信息類專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)課程，本文針對教學(xué)過程中存在課堂教學(xué)枯燥、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高的現(xiàn)狀，分析傳統(tǒng)教學(xué)方法的優(yōu)缺點，提出模塊化實驗引導(dǎo)課堂教學(xué)的模式，讓學(xué)生在完成模塊化實驗的過程中提高學(xué)習(xí)興趣，真正實現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)。三年的教學(xué)實踐表明，學(xué)生在我們所開發(fā)的數(shù)字時鐘模塊實驗教學(xué)實驗平臺上的學(xué)習(xí)效果良好，學(xué)習(xí)興趣和滿意度明顯提高。

數(shù)字電子技術(shù)；電子信息；教學(xué)改革；模塊化實驗

數(shù)字電子技術(shù)是高校電子、電氣、信息類等相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課之一，理論性和實踐性并重。加強(qiáng)數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)，夯實學(xué)生的理論知識體系，提高學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力，要從提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣入手。我院作為改革試點，從2013年開始對電子相關(guān)專業(yè)學(xué)生實行電子信息大類招生模式，即學(xué)生入學(xué)時的專業(yè)為電子信息大類，在第五個學(xué)期時進(jìn)行學(xué)生和專業(yè)雙向選擇與劃分，學(xué)生在前兩個學(xué)年學(xué)習(xí)的專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容相同，都為電子類專業(yè)基礎(chǔ)課。數(shù)字電子技術(shù)是其中一個重要的基礎(chǔ)課程，該課程與模擬電子技術(shù)、單片機(jī)、DSP、微機(jī)原理、電力工程等課程有密切的知識關(guān)聯(lián)，起到承前啟后的作用。本課程共分為三個模塊：數(shù)字邏輯基本運算模塊、組合邏輯電路模塊、時序邏輯電路模塊。數(shù)字邏輯基本運算模塊主要內(nèi)容有數(shù)字信號的基本表示方法、邏輯運算的基本法則與定理。組合邏輯電路模塊主要內(nèi)容有基本的邏輯電路元件、組合邏輯電路的分析與設(shè)計方法、基本的組合邏輯器件的設(shè)計與應(yīng)用。時序邏輯電路模塊主要內(nèi)容有基本時序邏輯器件的功能分析與應(yīng)用、時序電路的基體分析方法與設(shè)計方法。按照要求，通過本門課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在掌握數(shù)字電路基本知識的基礎(chǔ)上深入理解數(shù)字系統(tǒng)的作用、功能和原理，熟練掌握組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析與設(shè)計方法，熟悉常用數(shù)字器件的功能、原理和使用方法，了解可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、分析與設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)打好基礎(chǔ)。

通過對數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)和學(xué)生滿意度情況調(diào)查得知，學(xué)生對課堂教學(xué)往往缺乏興趣，即使任課教師積極認(rèn)真?zhèn)湔n，投入足夠的精力教學(xué)，學(xué)生配合度依舊不高，教學(xué)效果不理想，很難完成教學(xué)大綱既定的要求和目標(biāo)。為了解決這個問題，應(yīng)提高學(xué)生對這門課的學(xué)習(xí)興趣，對本門課進(jìn)行教學(xué)改革。將教材劃分為不同的知識單元，與模塊化實驗內(nèi)容對應(yīng)銜接，逐步引導(dǎo)學(xué)生在完成模塊化實驗的過程中主動學(xué)習(xí)知識，使學(xué)生成為教學(xué)活動主體。

1 數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)方法現(xiàn)狀分析

一直以來，數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)都是先進(jìn)行理論知識講授，再開展實驗教學(xué)。實驗教學(xué)一般都是學(xué)生在實驗箱上完成基本的電路連接工作，測量實驗數(shù)據(jù)，分析實驗結(jié)果。在整個理論和實驗教學(xué)過程中，學(xué)生真正動手和思考的機(jī)會較少。通過學(xué)生的反饋我們得知，大部分學(xué)生認(rèn)為在傳統(tǒng)教學(xué)方法下數(shù)字電子技術(shù)這門課程在短時間內(nèi)難于理解、比較抽象，還涉及較多的數(shù)學(xué)、物理內(nèi)容，知識點多而龐雜，實踐內(nèi)容偏少，理論教學(xué)和實驗教學(xué)分離，實驗項目和操作內(nèi)容固定，沒有給學(xué)生參與設(shè)計電路的機(jī)會。

關(guān)于數(shù)字電子技術(shù)這門課的教學(xué)改革方法已有相關(guān)研究，例如王波等人提出了在數(shù)字電子技術(shù)實驗中利用EDA軟件進(jìn)行數(shù)字電路仿真的方法[1]，該文獻(xiàn)只針對數(shù)字電子技術(shù)實驗提出了課改方法。張婧婧等人也提出了實驗的改革方式[2]，但沒有對理論課程提出改革方法。王瑞蘭等人提出了在理論課程教學(xué)中加入Multisim軟件仿真的課改思路[3]，但是改革的方式只是在教學(xué)過程中增加了軟件的仿真部分，沒有涉及到硬件部分。陳柳等人提出了在數(shù)字電子技術(shù)授課過程中加入多媒體現(xiàn)代教育技術(shù)[4]。不同高校在生源素質(zhì)、教師水平、教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施等方面都有所不同，因此每種教改方案[5-7]都是因材施教的結(jié)果。地方普通院校與“985”和“211”工程知名院校相比，學(xué)生的學(xué)習(xí)積累比較薄弱。因此，在課程教學(xué)過程中要做到因材施教，就理論課教學(xué)而言要遵循學(xué)生的成長和發(fā)展規(guī)律。此外，針對數(shù)字電路這門課的實踐性特點，筆者在進(jìn)行教學(xué)改革過程中根據(jù)本校學(xué)生知識儲備、學(xué)習(xí)能力等情況，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為目標(biāo)，采用模塊化實驗教學(xué)方法使學(xué)生更好地把握知識體系、提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力。

2 教學(xué)設(shè)計與實施過程

模塊化實驗教學(xué)方法是以完成模塊化的實驗項目為主要任務(wù)，把課本中的知識點整合到功能模塊中，把一個模塊劃分成若干個子任務(wù)，學(xué)生通過完成各個具體的子任務(wù)最終實現(xiàn)整個功能模塊的構(gòu)建。教師在整個模塊化實驗中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和探究各個功能模塊的用途，學(xué)生由傳統(tǒng)教學(xué)模式下的被動接受知識轉(zhuǎn)換為主動學(xué)習(xí)知識。在功能模塊的構(gòu)建過程中最大程度地培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣和能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，最終形成教與學(xué)的良性循環(huán)。

2.1 模塊化實驗設(shè)計

模塊化實驗教學(xué)以功能模塊為載體來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過模塊的構(gòu)建間接地實現(xiàn)知識的學(xué)習(xí)與掌握。在設(shè)計電路時要盡可能地把教材中的核心知識點囊括進(jìn)來，因此需要對教材[8]的知識點進(jìn)行梳理。我們開設(shè)的數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)單元主要有邏輯代數(shù)與數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、基礎(chǔ)邏輯門電路、組合邏輯門電路、觸發(fā)器、時序邏輯門電路、脈沖波形的產(chǎn)生與變換、AD與DA轉(zhuǎn)換。貫穿整個數(shù)字電子技術(shù)課的核心內(nèi)容是組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析和設(shè)計。

模塊化實驗的確定具有一定的綜合性、典型性、覆蓋性和趣味性。根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容，我們提出本門課的模塊化實驗為數(shù)字電子鐘的設(shè)計。數(shù)字電子鐘涵蓋了本門課的核心知識點，同時具備上述特性。數(shù)字鐘的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字電子鐘的結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，驅(qū)動數(shù)碼管工作的是譯碼顯示電路單元，這部分內(nèi)容是典型的組合邏輯電路分析與設(shè)計的內(nèi)容；計數(shù)電路單元由秒計數(shù)、分計數(shù)和小時計數(shù)三部分構(gòu)成，主要是60進(jìn)制和24進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計，這是典型的時序邏輯電路的內(nèi)容；時鐘電路的標(biāo)準(zhǔn)1Hz信號生成電路由晶振、分頻計數(shù)器芯片和D觸發(fā)器構(gòu)成，這部分內(nèi)容也涉及時序邏輯電路的分析與設(shè)計。根據(jù)這一架構(gòu)，我們開發(fā)了數(shù)字電子鐘組裝模塊，該套件的電路板如圖2所示。

圖2 數(shù)字電子鐘組裝套件電路板

在圖2中，數(shù)碼管單元為0.39寸共陰極藍(lán)色數(shù)碼管，驅(qū)動數(shù)碼管的譯碼顯示芯片為CD4026(對應(yīng)U1～U6)。同時，CD4026本身又集成了10進(jìn)制計數(shù)器。另外，CD4026結(jié)合芯片CD4069(對應(yīng)U8)和74LS11(對應(yīng)U7)實現(xiàn)了24進(jìn)制和60進(jìn)制計數(shù)器的功能。由晶振及其附屬電路產(chǎn)生頻率為32768Hz的信號經(jīng)CD4060芯片(對應(yīng)U10)14級分頻得到2Hz信號，再經(jīng)過74LS74芯片(對應(yīng)U11)分頻便得到標(biāo)準(zhǔn)的1Hz時鐘信號。

該電路的焊接成品如圖3所示。圖中最下面有四個按鍵，左邊的三個按鍵是非自鎖開關(guān)，用于進(jìn)行小時、分和秒的校時，右側(cè)的按鍵為自鎖開關(guān)，是電源開關(guān)。整個電路通過右下角的DC電源插座，用9V疊層電池供電。這里，通過U9：78M05降壓得到標(biāo)準(zhǔn)的5V電源。

圖3 數(shù)字鐘焊接成品圖

2.2 教學(xué)的實施過程

對于數(shù)字電路的初學(xué)者來說，尤其是對于基礎(chǔ)知識比較薄弱的學(xué)生，數(shù)字鐘的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，具有一定的難度，尤其是利用CD4026芯片實現(xiàn)24進(jìn)制和60進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計較普通的基于74LS161芯片難度要大。這里需要知道不同的數(shù)字對應(yīng)的7段譯碼輸出情況，然后再結(jié)合適當(dāng)?shù)倪壿嬮T來進(jìn)行異步復(fù)位。我們采用模塊分解的方式，按照教材各個章節(jié)知識的呈現(xiàn)順序把整個數(shù)字電子鐘項目進(jìn)行模塊化分解。本著由淺入深、循序漸進(jìn)的方式，我們分解成如下模塊單元：顯示譯碼單元、計數(shù)器設(shè)計單元、1Hz信號單元、輔助電路單元。

顯示譯碼子項目是在講解組合邏輯電路的分析與設(shè)計這一章時要求學(xué)生必須完成的模塊。傳統(tǒng)的譯碼顯示電路是用74LS47或74LS48芯片來實現(xiàn)的。這里我們重點訓(xùn)練學(xué)生獨立設(shè)計電路的能力，簡要介紹CD4026芯片，把該芯片的器件手冊給學(xué)生，讓學(xué)生通過自學(xué)掌握該芯片的外圍引腳及典型的電路連接。用Multisim設(shè)計出基于CD4026的譯碼顯示電路。通過這一子任務(wù)的完成，使學(xué)生掌握組合邏輯電路設(shè)計的基本方法、理解數(shù)碼管顯示的基本原理。

計數(shù)器設(shè)計模塊是在講解時序邏輯電路分析與設(shè)計這一章節(jié)時需要學(xué)生完成的。教材中主是結(jié)合74LS161芯片講解計數(shù)器的設(shè)計。24進(jìn)制和60進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計是整個數(shù)字電子鐘的核心單元。本著節(jié)約成本的考慮，我們選用十進(jìn)制計數(shù)器與譯碼顯示器為一體的芯片CD4026。由于用七段譯碼輸出端信號作為反饋信號，相比于8421BCD編碼反饋(如74LS161)信號來設(shè)計24進(jìn)制和60進(jìn)制計數(shù)器，其難度大大增加。在進(jìn)行設(shè)計時，我們先把數(shù)字0～9所對應(yīng)的7段譯碼輸出以矩陣的形式列出，尋找規(guī)律，把“e,f,g”譯碼輸出端口通過三輸入與門(74LS11)接清零端口，便實現(xiàn)了60進(jìn)制計數(shù)器。用同樣的方法，讓學(xué)生自主設(shè)計24進(jìn)制計數(shù)器(需結(jié)合CD4069或其他型號非門)。通過這一模塊的完成，使學(xué)生掌握任意進(jìn)制計數(shù)器設(shè)計的基本原理，掌握時序邏輯電路的分析與設(shè)計方法。

1Hz信號模塊涉及教材中觸發(fā)器、時序邏輯電路、脈沖產(chǎn)生與整型等相關(guān)章節(jié)知識。重點是使學(xué)生理解計數(shù)器的分頻功能，使學(xué)生理解為什么采用晶振電路而不是555芯片的1Hz信號生成電路。此外，這一模塊還使學(xué)生掌握觸發(fā)器的基本原理，理解D觸發(fā)器(74LS74芯片)分頻的原理。

輔助電路模塊主要是設(shè)計校時電路和輔助電源電路。這部分內(nèi)容比較簡單，主要讓學(xué)生掌握利用分立元件實現(xiàn)上升沿或下降沿脈沖產(chǎn)生的方法，讓學(xué)生掌握集成穩(wěn)壓電源的設(shè)計方法。

最后將幾個模塊整合起來，形成一個完整的數(shù)字電子鐘模塊。通過Multisim軟件把整個數(shù)字電子鐘項目進(jìn)行整合與仿真，由學(xué)生在我們開發(fā)的硬件電路板上進(jìn)行實際的硬件焊接。圖3是焊接出來的成品圖。將模塊化實驗貫穿于整門理論課的教學(xué)之中，學(xué)生既掌握了理論，又鍛煉了動手能力。其他教學(xué)內(nèi)容都要圍繞上述功能模塊展開，為上述功能模塊的順利完成進(jìn)行概念及功能上的認(rèn)知鋪墊。由于我們所開發(fā)的板子小巧、方便攜帶，學(xué)生可以將其帶入課堂輔助學(xué)習(xí)，從而將被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃荧@取知識。

3 成績考核與學(xué)習(xí)效果評價

成績考核是教學(xué)過程中的必要手段，教師和學(xué)生能通過考核對教學(xué)和學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評價和改進(jìn)，學(xué)生在完成模塊化實驗的過程中收獲了知識，增強(qiáng)了自信心，培養(yǎng)了合作精神。我們采用過程化的考核形式，把考核分散到整個學(xué)期的各學(xué)習(xí)階段，讓學(xué)生更注重平時的學(xué)習(xí)和積累，也減輕了學(xué)生期末復(fù)習(xí)備考的壓力。在教學(xué)的各個階段教師有機(jī)會對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行督促和總結(jié)。學(xué)生成績的評定組成為：平時成績占20%，主要包括課堂表現(xiàn)、平時作業(yè)、實驗解決方案等；實驗作業(yè)占20%，對每一次模塊化實驗的完成都要遞交實驗報告；期末考核占60%，由數(shù)字電子鐘的焊接和期末閉卷考試構(gòu)成。

4 結(jié)語

基于模塊化實驗教學(xué)的授課方式，能讓學(xué)生有效地將課堂所學(xué)理論知識與實際硬件電路緊密聯(lián)系起來，為學(xué)生提供良好的鍛煉動手能力。該教學(xué)方法在實施過程中能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。通過三年的教學(xué)實踐，教學(xué)效果良好，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和滿意度提高顯著。事實證明，該教學(xué)方法鍛煉了學(xué)生思考問題的能力，挖掘出學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神。

[1]王波,張巖,王美玲.“數(shù)字電子技術(shù)實驗”課程的改革[J].實驗室研究與探索,2012(9):121-123.

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2017-01-02

國家自然科學(xué)基金項目“基于可交換Clifford代數(shù)的彩色圖像矩不變量研究”(61203242)；江蘇省自然科學(xué)基金項目“可交換Clifford代數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用”(BK20141253)；江蘇高校“青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師項目(蘇教師(2016)1號)。

劉 戀(1986- )，女，助理實驗師，碩士，從事圖像處理、目標(biāo)識別與跟蹤研究。

郭立強(qiáng)(1982- )，男，副教授，博士，從事圖像處理、計算機(jī)視覺與模式識別研究。

G642.0

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2095-7602(2017)04-0123-05