“模擬與數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)探索

張凡　胡中秋　王能慶

摘 要 “模擬與數(shù)字電子技術(shù)”是測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程是“測(cè)控電路”和“精密測(cè)量技術(shù)”等課程的先行課，學(xué)習(xí)效果將直接影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。本文探索了一些教學(xué)方法，以應(yīng)對(duì)測(cè)控專(zhuān)業(yè)學(xué)生薄弱的電路基礎(chǔ)和有限的學(xué)時(shí)對(duì)課程教學(xué)效果的影響。

關(guān)鍵詞 測(cè)控專(zhuān)業(yè) 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì) 教學(xué)方式設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.07.064

Abstract "Analog and digital electronic technology" is a professional basic course of measurement and control technology and instrument major. This course is the previous course of "measurement and control circuit" and "precision measurement technology"， and the learning effect will directly affect the learning of subsequent courses. This paper explores some teaching methods to deal with the influence of weak circuit foundation and limited class hours on the teaching effect of measurement and control major students.

Keywords measurement and control major; teaching content design; teaching method design

0 引言

隨著萬(wàn)物智能、萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，交叉學(xué)科越來(lái)越要求學(xué)生具備寬廣的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)不僅是所有電子大類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，也是很多相關(guān)交叉學(xué)科的基礎(chǔ)必修課。在國(guó)內(nèi)外，“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)，在電類(lèi)專(zhuān)業(yè)已經(jīng)發(fā)展了很多年，很多高校優(yōu)秀教師團(tuán)隊(duì)根據(jù)自己積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，編寫(xiě)了優(yōu)秀的教材和輔導(dǎo)書(shū)籍。如清華大學(xué)電子學(xué)教研組合著的童詩(shī)白和華成英版《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》和《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》，[1][2]華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組合著的康華光版《電子技術(shù)基礎(chǔ)》模擬部分和數(shù)字部分，[3][4]我校教授與其它高校合作編著的《模擬電子技術(shù)》和《數(shù)字電子技術(shù)》[5][6]等等。 在國(guó)外，也有相關(guān)的優(yōu)秀教材，如Anant Agarwal和Jeffrey H.Lang合著的信息技術(shù)和電氣工程學(xué)科國(guó)際知名教材“Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits”。[7]然而，針對(duì)非電類(lèi)專(zhuān)業(yè)特殊情況裁剪的相關(guān)教材卻鮮有見(jiàn)到。究其緣由，是因?yàn)榻滩木帉?xiě)者主要是教學(xué)實(shí)踐主體，主要是教授電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生，所以教材的編寫(xiě)主要是根據(jù)本校或同類(lèi)學(xué)校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的具體學(xué)時(shí)、學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力和教學(xué)目標(biāo)編寫(xiě)而成。因此，非電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的電子技術(shù)基礎(chǔ)課程需要根據(jù)具體情況，具體設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。本文將從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)方式設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行實(shí)踐探索。

1 模擬部分教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)“模擬與數(shù)字電子技術(shù)”課程要求涵蓋電類(lèi)專(zhuān)業(yè)“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”兩門(mén)課的內(nèi)容，需要大量課時(shí)。例如，康華光版《電子技術(shù)基礎(chǔ)》模擬部分建議64～72個(gè)理論課時(shí)和24～32個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)。然而，本課程一共只有68個(gè)理論學(xué)時(shí)，分配給模擬電子技術(shù)部分的只有34個(gè)左右的學(xué)時(shí)。

傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容有8個(gè)章節(jié)，具體包括（1）半導(dǎo)體二極管及其基本電路、（2）半導(dǎo)體三極管及其放大電路基礎(chǔ)、（3）集成電路運(yùn)算放大器、（4）負(fù)反饋放大電路、（5）信號(hào)的運(yùn)算與處理電路、（6）信號(hào)產(chǎn)生電路、（7）功率放大電路和（8）直流穩(wěn)壓電源。

為了匹配課時(shí)量并保證教學(xué)質(zhì)量，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行了剪裁和調(diào)整，并根據(jù)基礎(chǔ)和應(yīng)用之間的邏輯關(guān)系，分為如下四大部分教學(xué)：

（1）模擬信號(hào)概述與線性放大：該部分作為課程的緒論，主要介紹信號(hào)及其放大的一些基本概念，復(fù)習(xí)先行課程“電路理論”的基本知識(shí)，為后續(xù)學(xué)習(xí)提供引導(dǎo)性和鋪墊性的知識(shí)。

（2）半導(dǎo)體二極管及直流穩(wěn)壓電源電路：本章主要介紹本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的基本知識(shí)，PN結(jié)的形成和特性。重點(diǎn)學(xué)習(xí)最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體器件——二極管及其應(yīng)用電路。同時(shí)，通過(guò)學(xué)習(xí)基本的直流穩(wěn)壓電源電路，深入分析二極管在整流電路、限幅電路和開(kāi)關(guān)電路中的應(yīng)用方法。

（3）運(yùn)算放大器與負(fù)反饋放大電路：運(yùn)算放大器是一種增益很高的三端器件，實(shí)際使用中，必須加入負(fù)反饋，才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的線性處理，包括加減乘除和積分微分運(yùn)算。因此，本部分將運(yùn)算放大器、信號(hào)的運(yùn)算與處理電路及負(fù)反饋放大電路綜合成一部分，由淺入深進(jìn)行講解。

（4）MOS場(chǎng)效應(yīng)和BJT雙極結(jié)型三極管及其放大電路：MOS三極管和BJT三極管是目前使用的最廣泛的兩類(lèi)三極管器件。MOS三極管是電壓控制器件，BJT三極管是電流控制器件。它們既有共性，也有不少不同點(diǎn)，將它們放到一同講解，有利于學(xué)生的遷移學(xué)習(xí)和對(duì)比學(xué)習(xí)，幫助他們構(gòu)建清晰有效的知識(shí)架構(gòu)。三級(jí)管的放大電路包括小信號(hào)放大和功率放大兩大應(yīng)用，本章將通過(guò)例題講解，對(duì)比學(xué)習(xí)三極管的小信號(hào)模型分析方法和功率放大電路的大信號(hào)圖解分析方法。

2 數(shù)字部分教學(xué)設(shè)計(jì)

康華光版“電子技術(shù)基礎(chǔ)”數(shù)字部分建議56～64個(gè)理論課時(shí)教學(xué)和32～40個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)教學(xué)。然而，本課程分配給數(shù)字部分的課時(shí)也只有34個(gè)學(xué)時(shí)左右。傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)部分內(nèi)容有8個(gè)章節(jié)的內(nèi)容，具體包括：（1）數(shù)制與編碼、（2）邏輯門(mén)、（3）邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、（4）組合邏輯電路、（5）觸發(fā)器、（6）寄存器與計(jì)數(shù)器、（7）時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)和（8）脈沖波形的產(chǎn)生與整形電路。

同樣，為了匹配課時(shí)量并保證教學(xué)質(zhì)量，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行了剪裁和調(diào)整，并根據(jù)基礎(chǔ)和應(yīng)用之間的邏輯關(guān)系，分為如下五大部分教學(xué)：

（1）數(shù)字邏輯概論：本部分主要介紹數(shù)字邏輯的基礎(chǔ)知識(shí)，包括數(shù)字信號(hào)的描述方法、數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換方法、有符號(hào)二進(jìn)制數(shù)及其算術(shù)運(yùn)算，格雷碼、ASCII碼、奇偶校驗(yàn)碼和BCD碼等二進(jìn)制編解碼方法。

（2）邏輯代數(shù)：介紹基本邏輯門(mén)、三態(tài)門(mén)、邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算和復(fù)合運(yùn)算方法、邏輯代數(shù)的基本定律和規(guī)則、邏輯函數(shù)表達(dá)、變換和代數(shù)化簡(jiǎn)方法，最小項(xiàng)和最大項(xiàng)表達(dá)式，卡諾圖的設(shè)計(jì)、規(guī)律和化簡(jiǎn)方法。卡諾圖是設(shè)計(jì)組合邏輯電路中最重要的工具，卡諾圖表格的設(shè)計(jì)和單元格編號(hào)的排序是歷屆學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。授課中從一元變量卡諾圖的設(shè)計(jì)，演化到二元變量卡諾圖的設(shè)計(jì)，在到三元變量卡諾圖，最后到四元變量卡諾圖設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生理解演化規(guī)則。

（3）組合邏輯電路：討論組合邏輯電路的分析步驟和設(shè)計(jì)方法、競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的發(fā)現(xiàn)與消除。將介紹組合邏輯電路中所有的基本電路單元，包括編碼器與譯碼器、數(shù)據(jù)分配器和選擇器、數(shù)值比較器和加法器。重點(diǎn)分析這些基本電路的擴(kuò)展方法，如利用8線-3線編碼器擴(kuò)展成64線-6線編碼器，利用數(shù)據(jù)選擇器芯片代替分立邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)多變量邏輯函數(shù)的功能，利用譯碼器控制顯示器的靜態(tài)現(xiàn)實(shí)或動(dòng)態(tài)現(xiàn)實(shí)等等。

（4）鎖存器與觸發(fā)器：鎖存器和觸發(fā)器是時(shí)序邏輯電路的基本單元。本章主要討論SR鎖存器和D鎖存器、主從D觸發(fā)器和維持阻塞D觸發(fā)器，分析D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器和SR觸發(fā)器的邏輯功能。

（5）時(shí)序邏輯電路：介紹時(shí)序邏輯電路的基本概念，討論時(shí)序邏輯功能的描述方法，討論Mealy型和Moore型時(shí)序電路的區(qū)別，學(xué)習(xí)同步和異步時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法，學(xué)習(xí)寄存器和移位寄存器及其基本應(yīng)用電路，學(xué)習(xí)異步計(jì)數(shù)器、同步計(jì)數(shù)器和集成計(jì)數(shù)器的應(yīng)用。

3 教學(xué)方式設(shè)計(jì)

雖然“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”在電類(lèi)專(zhuān)業(yè)，是非常普遍的課程，上課學(xué)生多，講授的教師也多，屬于大眾課程，重視程度高。但是，在非電類(lèi)學(xué)院，缺乏相關(guān)電類(lèi)教師，需要學(xué)習(xí)本課程的學(xué)生也少得多，屬于小眾課程，不屬于重點(diǎn)關(guān)注課程。“模擬與數(shù)字電子技術(shù)”課程安排的是大班教學(xué)，課堂學(xué)生人數(shù)達(dá)到100人以上。并且學(xué)生電路基礎(chǔ)薄弱，且課時(shí)只有電類(lèi)相關(guān)課程學(xué)生的1/2～1/3，非常緊張。為了解決學(xué)生多、課時(shí)較少、基礎(chǔ)薄弱等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，特設(shè)計(jì)了如下的教學(xué)方式：

（1）借助移動(dòng)學(xué)習(xí)緩解課時(shí)不足問(wèn)題：人手一部智能手機(jī)，睡覺(jué)前看手機(jī)，睜開(kāi)眼第一件事也是看手機(jī)是目前普遍存在的社會(huì)現(xiàn)象。剛剛脫離父母時(shí)時(shí)關(guān)注、高考高壓環(huán)境的大學(xué)生，幾乎無(wú)時(shí)無(wú)刻在利用點(diǎn)滴零碎的時(shí)間刷手機(jī)。利用學(xué)生的手機(jī)依賴癥，QQ學(xué)習(xí)群和中國(guó)大學(xué)MOOC國(guó)家精品課程資源，有計(jì)劃地幫助學(xué)生選擇合適的優(yōu)秀互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)素材，輔導(dǎo)和督促學(xué)生課外的移動(dòng)學(xué)習(xí)。例如，本課程向?qū)W生推薦了華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組的大學(xué)MOOC國(guó)家精品課程“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”，要求學(xué)生同步完成線上測(cè)試題。由于國(guó)家精品課程面向的授課對(duì)象廣泛，課程資源并不是100%適合我們的學(xué)生。因此，簡(jiǎn)單口頭提醒要求學(xué)生，難以取得良好效果。因此，需要教師提前查看分析課程線上資源、親自聽(tīng)課、做測(cè)試題，體驗(yàn)學(xué)生的實(shí)際感受，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行分析裁剪，并利用QQ學(xué)習(xí)群發(fā)布課外學(xué)習(xí)方法和路線，輔導(dǎo)學(xué)生、督促學(xué)習(xí)進(jìn)度、保證學(xué)習(xí)效果。

（2）充分分解知識(shí)點(diǎn)應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)薄弱問(wèn)題：模擬和數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習(xí)要求學(xué)生有良好的“電路分析”、“線性代數(shù)”和“高等數(shù)學(xué)”基礎(chǔ)。尤其是非電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的“電路分析”基礎(chǔ)普遍較差。調(diào)查現(xiàn)實(shí)，大量學(xué)生無(wú)法熟練使用KCL方程和疊加定律等電路分析中最基本、也是最關(guān)鍵的重點(diǎn)方法，導(dǎo)致學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)時(shí)非常吃力。數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習(xí)也要求有一定的線性代數(shù)基礎(chǔ)，以有效地學(xué)習(xí)邏輯代數(shù)、處理邏輯組合電路中的電路分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。因此，本課程將每個(gè)章節(jié)中的知識(shí)分解成眾多微小的知識(shí)點(diǎn)，每個(gè)PPT的篇幅限制在20也內(nèi)，大多在平均10～15頁(yè)之間。每個(gè)PPT僅僅講述一個(gè)小問(wèn)題。例如，在以前的教學(xué)中，整章“組合邏輯電路”一個(gè)PPT，競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的概念往往是被嵌入一個(gè)大PPT中的少數(shù)幾頁(yè)，學(xué)生聽(tīng)完后，還是覺(jué)得概念抽象、理解吃力、印象很淺，在大腦中很快被后續(xù)內(nèi)容覆蓋。但把競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)作為一個(gè)獨(dú)立的PPT，花費(fèi)十幾頁(yè)，可以非常清楚地闡明組合邏輯電路產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)的原因，導(dǎo)致冒險(xiǎn)的不良后果，以及發(fā)現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)的方法和消除競(jìng)爭(zhēng)的三種途徑。學(xué)生聽(tīng)完后覺(jué)得這個(gè)概念考慮了電路在實(shí)際運(yùn)行中可能產(chǎn)生和的問(wèn)題、內(nèi)容現(xiàn)實(shí)實(shí)用、學(xué)習(xí)起來(lái)簡(jiǎn)單易懂，提升了學(xué)習(xí)的積極性和自信心。

4 結(jié)語(yǔ)

非電類(lèi)專(zhuān)業(yè)交叉學(xué)科“模擬與數(shù)字電子技術(shù)”的教學(xué)需要教師在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)本校本專(zhuān)業(yè)的學(xué)生基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)特點(diǎn)，根據(jù)專(zhuān)業(yè)的課時(shí)分配探索適應(yīng)具體情況的教學(xué)方法。本文探索了在學(xué)時(shí)緊張、師生比低、學(xué)生基礎(chǔ)薄弱的情況下的各種定制化教學(xué)方法。通過(guò)重組教學(xué)內(nèi)容、借力移動(dòng)學(xué)習(xí)資源、充分分解知識(shí)點(diǎn)的方式，改善教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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[2] 清華大學(xué)電子學(xué)教研組編，閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社.

[3][4] 華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編，康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）.高等教育出版社.

[5] 陶恒齊主編.模擬電子技術(shù).第二版.華中科技大學(xué)出版社.

[6] 張小華主審，劉歆副主編.數(shù)字電子技術(shù).華中科技大學(xué)出版社.

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