思維教學在數字電子技術中的應用

丁巖松，王曉麗，薛海鷹

（陸軍裝甲兵學院，北京 100072）

1 引言

《數字電子技術基礎》（以下簡稱“數電”）是高等工科院校電氣類、自控類和電子類專業在電子技術方面的一門專業基礎課程，具有自身的體系和很強的實踐性。

“數電”的前繼課程為模擬電子電路，后續課程是微型計算機原理，起著承上啟下的作用。如何學好這門課程？經驗來談，學生在經過《電路》和《模擬電子技術基礎》兩門課程的學習后，往往將“數電”的學習理解為物理電路的學習,其思維方式也還局限在連續、模擬概念上，沒有形成離散的、數字化的概念，缺乏對知識的思考和總結。而這種思維模式的轉變，也正是取決于教師的課堂引導[1]。因此，要教好和學好“數電”這門課，思維方式轉變必然成為教師教學和學生學習中不容忽視的問題。具體來說，將思維方式的轉變歸納為以下幾點，即：“模擬”到“數字”的思維轉變；“數學”到“邏輯”的思維轉變；“分立”到“集成”的思維轉變；“理論”到“實踐”的思維轉變。

2 思維方式的轉變

2.1 “模擬”到“數字”的思維轉變

由于一般院校的課時安排都是先開《模擬電子技術基礎》，幾周后《數字電子技術基礎》再開課，學生容易搞不清楚這兩門課差別究竟在何處。因此，在“緒論”部分，應該重點介紹“模擬”和“數字”的區別，使同學們有一個從“模擬”到“數字”的思維轉變。

運用直觀的方法，使學生將兩種截然相反的概念聯系在一起，要想建立數字概念，必須通過已經掌握的“連續”概念來建立[2]。（表 1）

模擬電路的重點是物理電路，而數字電路更多地強調邏輯分析的應用。因此，課程學習的目的有兩個：其一是基本單元電路的學習；其二是數學邏輯思維的建立。其中，幫助學生建立起數學邏輯思維，不僅對解決學生數學電路難學、難理解問題產生作用，對后續專業課的進一步學習也意義重大。因此，在分清“模擬”與“數字”兩種信號及電路的區別基礎上，討論關于從“數學”到“邏輯”的思維轉變。

表1 模擬電路與數字電路的區別

2.2 “數學”到“邏輯”的思維轉變

數字電子分為數字邏輯技術和數字電路技術。前者是用數學方法研究和處理事件之間的邏輯關系，后者是研究數字邏輯的電路實現方法。“邏輯代數”只是分析數字電路的一個工具，“0”和“1”僅代表因果關系，而并非具有大小含義[3]。可以借助具體的實例來適應從數學思維到邏輯思維方式的轉變。

用生活中的常見實例來解釋“邏輯”的概念。

圖1所示為一路燈，三地各有獨立控制開關，用A、B、C來表示。任意閉合一個開關，燈亮；任意閉合兩個開關，燈滅；三個開關同時閉合，燈亮。

圖1 三地控制路燈

因為燈只有兩種狀態（“亮”和“滅”）；三個開關也各有兩種狀態（“打開”和“閉合”），建立邏輯關系時，就可以用“1”和“0”來表示截然相反的兩種狀態。當把一個工程問題描述為數字邏輯系統時，就意味著不再關心數量的大小及相互影響，只關心各個事件間的邏輯關系。通過這樣一個簡單的對比，加深了對“邏輯”一詞的理解，抓住了數字邏輯電路課程的特點，與數值大小無關。

2.3 從“分立”到“集成”的思維轉變

隨著科學技術的發展，尤其是微電子技術和計算機技術的重大進展，數字邏輯器件已在短時間內從分立元件發展到中、小規模的集成電路，直到目前常用的大規模和超大規模的可編程邏輯器件（PLD）。

在前續的“電路”及“模擬電子技術基礎”兩門課程中對電子分立元件（如：電阻、電容、電感、二極管、三極管等）的內在特性做了詳細介紹。在“數電”的學習中，應引導學生實現從“分立”到“集成”的思維轉變，將學習重點放到中小規模集成電路上，用時引入大規模集成電路VLSI（包括PALGALFPGACPLD等）和簡單VHDL語言的內容以體現“新”。

圖2 大規模集成電路組成

2.4 從“理論”到“實踐”的思維轉變

“數電”這門課具有較強的實踐性。純粹的理論會使學生感覺枯燥乏味，而單純的應用缺少扎實的理論基礎，也不可取。因此，在確保理論完整性的前提下，要把實踐教學作為培養學生工程技術能力的主要方式。學生可以通過課堂仿真實驗來驗證所學的知識點，盡可能多地了解數字電子技術領域的新概念、新技術和新方法。改變傳統的僅獲取課本的理論知識就達到學習目的這一想法，盡可能多地接受與“數電”相關的工程實踐訓練，有助于學生建立工程思維觀念，從工程實際的角度去思考和處理問題，用近似的和等效的觀點去分析事物，開啟創造性思維方式。

3 結語

在“數電”課程的學習過程中，實現思維方式轉變是一個非常重要的過程，可以從整體上把握數字邏輯電路課程的基本思想，從而為深入理解所學知識，實現思維方式的轉變，為后續課程的學習打下堅實的基礎，實現“數字—邏輯—集成—實踐”思維模式的建立。