應(yīng)用型本科《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)改革探究

于秋爽 李艷梅

摘? 要： 在硅信息時代，數(shù)字電子技術(shù)在各個應(yīng)用領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程包含豐富的基礎(chǔ)理論知識，通過各種模塊電路的應(yīng)用實例進(jìn)行學(xué)習(xí)，在電子信息類專業(yè)課程中具有承前啟后的重要作用。本文以應(yīng)用型本科院校為主體，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式和教師培養(yǎng)四個方向著手，期望通過教學(xué)改革，培養(yǎng)出更加符合社會需求的應(yīng)用型電子人才。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字電子技術(shù);應(yīng)用型本科;教學(xué)改革

中圖分類號： TP3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.058

本文著錄格式：于秋爽，李艷梅. 應(yīng)用型本科《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)改革探究[J]. 軟件，2020，41（09）：216218

【Abstract】： In the silicon information age， digital electronic technology plays an important role in various application fields. The course of “Fundamentals of digital electronic technology” contains rich basic theoretical knowledge， and it plays an important role in connecting the past and the future in the professional courses of electronic information. In this paper， the Application-oriented Undergraduate Colleges and universities as the main body， from the teaching content， teaching methods， assessment methods and teacher training in four directions， hoping to train more in line with the social needs of the application-oriented electronic talents through teaching reform. Key words： digital electronic technology; applied undergraduate; exploration and Reform.

【Key words】： Digital electronic technology; Applied undergraduate; Teaching reform

0? 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展，人才需求結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，社會教育結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整。近年來高考錄取率達(dá)到了80%以上，本科生錄取人數(shù)不斷增加。培養(yǎng)高素質(zhì)的技能型人才不僅符合社會需求，也是完善教育結(jié)構(gòu)中必不可少的一環(huán)。應(yīng)用型本科是以本科教育為依托，面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)，發(fā)展特色學(xué)科，突出應(yīng)用型專業(yè)教育，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐創(chuàng)造能力的高素質(zhì)應(yīng)用型高級專門人才。

應(yīng)用型本科電子信息類培養(yǎng)的人才能夠從事電子信息及相關(guān)領(lǐng)域中系統(tǒng)、設(shè)備和器件的開發(fā)、應(yīng)用、維護(hù)、管理等工作。應(yīng)用型本科院校受師資和教學(xué)條件等客觀因素的限制，目前大部分的培養(yǎng)模式不利于學(xué)生全面發(fā)展。數(shù)字電子技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)中具有不可替代作用[1]，在雷達(dá)接收器、微波功率測量計等各項新技術(shù)中處于舉足輕重的地位[2]。《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》是高等學(xué)校電子信息類專業(yè)的硬件基礎(chǔ)課程，專業(yè)涉及電子信息工程、通信工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)和微電子科學(xué)與工程等專業(yè)，內(nèi)容包括數(shù)字電路的基礎(chǔ)邏輯分析、電子器件基本組成和邏輯語言與硬件的結(jié)合等，為學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)、計算機(jī)組成原理和可編程邏輯器件等后續(xù)課程做好基礎(chǔ)。本文針對應(yīng)用型本科院校《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程進(jìn)行教學(xué)改革，期望培養(yǎng)出符合社會發(fā)展需求的高層次應(yīng)用型電子信息人才。

1? 教學(xué)內(nèi)容

在電子信息技術(shù)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會，技術(shù)知識的更替周期越來越短，針對專業(yè)特點，及時補(bǔ)充新興技術(shù)信息，不斷調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和側(cè)重點，才能更好推動數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)課程改革。

1.1? 注重基礎(chǔ)

邏輯代數(shù)采用二值運算，通過二進(jìn)制編碼傳遞和處理信息。將實際問題轉(zhuǎn)換成二值表達(dá)，通過邏輯運算得到邏輯電路是數(shù)字電路基本設(shè)計思路。在邏輯代數(shù)中，基本邏輯運算有與、或、非三種，不論多么復(fù)雜的邏輯運算都是通過這三種基本邏輯運算組合變換。運算過程中常用的邏輯運算有與非、或非、與或非、異或、同或等，這些運算的邏輯符號是學(xué)習(xí)過程中需要掌握的基礎(chǔ)知識，運用這些基礎(chǔ)運算進(jìn)行邏輯表達(dá)。邏輯函數(shù)的常用表達(dá)方法有：真值表、卡諾圖、表達(dá)式、邏輯圖和波形圖等，要掌握各種表達(dá)方法之間的互相轉(zhuǎn)換。邏輯函數(shù)的表達(dá)式越簡單，實現(xiàn)其功能的電路就越簡單。進(jìn)行邏輯函數(shù)化簡，經(jīng)常用到兩種方法：公式化簡法和圖形化簡法。利用卡諾圖作為工具的圖形化簡法有比較明確的化簡步驟，且容易判斷化簡結(jié)果是否最簡，需要重點掌握。

邏輯代數(shù)基礎(chǔ)知識是分析和學(xué)習(xí)數(shù)字電路的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，所涉及的常用邏輯運算是實現(xiàn)數(shù)字電路設(shè)計的重要操作步驟。不論哪個專業(yè)學(xué)習(xí)《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程，都要將邏輯代數(shù)基礎(chǔ)作為重要知識點進(jìn)行學(xué)習(xí)。

1.2? 弱化模塊

門電路章節(jié)內(nèi)容涉及很多電路結(jié)構(gòu)分析和模電工作原理，包括二極管、三極管和MOS管等基本開關(guān)元件，通過分立元件門電路逐步學(xué)習(xí)CMOS和TTL集成門電路。章節(jié)知識抽象晦澀，需要具有良好的模電基礎(chǔ)，學(xué)生普遍反映難以掌握。從課程學(xué)習(xí)目標(biāo)來看，需要學(xué)生掌握的重點是元器件的外部特性和集成門電路的邏輯功能。外部特性是指靜態(tài)—動態(tài)特性、輸入—輸出特性和負(fù)載特性等，掌握外部特性是為了使學(xué)生能夠熟練使用各種門電路，如根據(jù)輸入端負(fù)載值判斷輸入電平，正確使用傳輸門、三態(tài)門和開路門，了解集成門電路在使用中應(yīng)該注意的問題等。教師應(yīng)以反相器為重點案例，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，花費一定時間講解電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，使學(xué)生更好地掌握外部特性從而理解門電路的邏輯功能，將貼合實際問題的模電世界轉(zhuǎn)換到高低電平的數(shù)電世界。

門電路是數(shù)字電路邏輯功能的基礎(chǔ)，是集成芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本組成部分。學(xué)生需要掌握門電路的外部特性和邏輯功能，熟練運用門電路實現(xiàn)邏輯功能，分清學(xué)習(xí)的側(cè)重點，不要耗費過多課時和精力在內(nèi)部模電結(jié)構(gòu)，明確章節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)。

1.3? 強(qiáng)調(diào)模塊

組合邏輯電路和時序邏輯電路是《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程核心內(nèi)容，熟練運用其基本分析和設(shè)計方法需要掌握各種典型電路使用規(guī)則。學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)是通過閱讀功能表，能夠根據(jù)典型電路與外部元器件功能特點，分析和設(shè)計特定功能的邏輯電路。數(shù)值計算類典型電路包括加法器、減法器和數(shù)值比較器等;編碼操作類典型電路包括編碼器和譯碼器;數(shù)據(jù)選擇類典型電路包括數(shù)據(jù)選擇器和數(shù)據(jù)分配器;計數(shù)類典型電路包括進(jìn)制不同計數(shù)器、增減方式不同計數(shù)器和更新狀態(tài)不同計數(shù)器;寄存類典型電路包括基本寄存器和移位寄存器[3]。各種典型電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理甚至外部特性千差萬別，但是其分析和設(shè)計思路都相對固定，在學(xué)習(xí)相關(guān)知識時，要將典型電路看作整體，把重點放在外部特性。掌握解決問題思路，根據(jù)典型電路特點，結(jié)合分析和設(shè)計要點，合理利用外部元器件，何種電路問題都可以解決。

邏輯電路學(xué)習(xí)重點是把典型電路模塊化，通過功能表分析邏輯功能，根據(jù)實際需要，分析或設(shè)計整體電路。雖然各種技術(shù)、元器件和芯片更新?lián)Q代很快，但是基本設(shè)計和使用思路不會有太大區(qū)別，所以掌握學(xué)習(xí)方法和思路，接受新知識，做到與時俱進(jìn)。

1.4? 深化綜合

脈沖產(chǎn)生與整形電路和數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是數(shù)字電子技術(shù)知識綜合運用的典型電路。555定時器[4]是一種中規(guī)模集成電路，外接合適的電阻、電容元器件即可構(gòu)成脈沖產(chǎn)生與整形電路，包括施密特觸發(fā)電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路和多諧振蕩電路等，靈活方便，應(yīng)用廣泛。施密特觸發(fā)電路和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路是最常用的整形電路，雖然不能自動產(chǎn)生脈沖信號，但是可以把不規(guī)則的周期信號轉(zhuǎn)換成符合要求的矩形脈沖信號。多諧振蕩電路不需要外加觸發(fā)信號，只要接通電源即可自動產(chǎn)生矩形脈沖信號。數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是模擬電路系統(tǒng)與數(shù)字電路系統(tǒng)之間的橋梁，許多信息采集和信號處理系統(tǒng)中所達(dá)到的精度和速度實際上是取決于數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度和速度。學(xué)生需要掌握典型轉(zhuǎn)換電路的基本工作原理，了解轉(zhuǎn)換精度和速度的表示方法，理解數(shù)模與模數(shù)的轉(zhuǎn)換過程。

兩類電路展現(xiàn)芯片使用過程，貫穿運用數(shù)電知識。學(xué)習(xí)過程要突出整體性，宏觀分析各知識點，深化理解數(shù)字電路工作過程。

2? 教學(xué)方法

課程遵循學(xué)生為主體，教師為指導(dǎo)的教學(xué)原則，根據(jù)應(yīng)用型本科院校學(xué)生電路分析和模擬電子等基礎(chǔ)知識相對薄弱，授課時要充分考慮學(xué)生實際情況，細(xì)講基礎(chǔ)知識和基本原理，精講重點內(nèi)容和工作原理，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，理論知識和實踐環(huán)節(jié)相輔相成。

2.1? 改革教學(xué)模式

傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式是教師講授為主，穿插課堂互動，不能完全調(diào)動學(xué)生積極主動性。數(shù)電課程知識點多，學(xué)生基礎(chǔ)知識薄弱，同時受課時限制，教學(xué)過程難以兼顧深度和廣度。可以利用網(wǎng)上教學(xué)平臺，如中國大學(xué)慕課、雨課堂、超星學(xué)習(xí)通等學(xué)習(xí)網(wǎng)站，提前布置學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行預(yù)習(xí)，了解學(xué)習(xí)目標(biāo)，掌握學(xué)習(xí)范圍。老師通過學(xué)習(xí)平臺及時了解學(xué)習(xí)情況，對學(xué)生答疑解惑，完善教學(xué)內(nèi)容。部分章節(jié)可以嘗試翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式[5]，如加法器、計數(shù)器等，進(jìn)行小組任務(wù)分解，發(fā)揮學(xué)生的積極性，提高學(xué)習(xí)動力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

2.2? 結(jié)合應(yīng)用案例

本課程學(xué)習(xí)重點為組合和時序邏輯電路，涉及許多實際案例，如表決電路、呼叫按鈕電路、分頻計、可控進(jìn)制計數(shù)器等，通過理論知識在案例中實際應(yīng)用，讓學(xué)生體驗到學(xué)以致用，提高分析問題進(jìn)而解決問題的能力。將案例模塊分解，針對各個電路部分進(jìn)行討論，交流設(shè)計思路，共同分析優(yōu)缺點，并提出改進(jìn)措施。要讓學(xué)生掌握原理分析、步驟設(shè)計、電路連接、調(diào)試改進(jìn)等過程，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析理解和歸納總結(jié)，切忌死記硬背。通過分析案例讓學(xué)生學(xué)會舉一反三，掌握分析步驟和學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

2.3? 調(diào)整實踐教學(xué)

數(shù)字電子技術(shù)具有很強(qiáng)的實踐性[6]，需要增加實踐課時，通過實驗和課程設(shè)計深化學(xué)習(xí)內(nèi)容，培養(yǎng)實操技能。電子信息技術(shù)發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)實驗課程已經(jīng)無法完成培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)習(xí)重點應(yīng)該轉(zhuǎn)到新型數(shù)字電子技術(shù)實驗，EDA技術(shù)的發(fā)展使先進(jìn)技術(shù)和實驗教學(xué)得以融合。虛擬電子仿真軟件Multisim元件庫中可提供的元件種類豐富，使用方便，實驗內(nèi)容可以根據(jù)技術(shù)發(fā)展方向及時調(diào)整，擴(kuò)大知識范圍，提高知識水平。仿真軟件使用過程快速、安全，學(xué)生通過電路運行結(jié)果進(jìn)行調(diào)試，不用擔(dān)心電路設(shè)計錯誤帶來的安全隱患，給學(xué)生更大的創(chuàng)造空間，鼓勵學(xué)生勇敢嘗試，提高創(chuàng)新意識。利用仿真軟件Multisim進(jìn)行模擬實驗，填補(bǔ)傳統(tǒng)數(shù)電實驗中實驗儀器使用限制帶來的不便，實驗過程直觀，節(jié)省實驗耗材，降低實驗風(fēng)險。

3? 考核方式

期末成績是考核學(xué)生學(xué)生成果的重要方式，也是學(xué)習(xí)最主要的壓力和動力源泉，制定合適的考核方式可以極大程度上促進(jìn)學(xué)習(xí)成果。傳統(tǒng)考核方式一般是平時成績30%，期末成績70%。平時成績考核內(nèi)容單一，每個學(xué)生的平時成績差別不大，因此成績差異主要取決于期末考試成績。僅通過一張試卷來評定學(xué)生對一門課程的學(xué)習(xí)程度是有失公平的，這種考核方式忽略了學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力，導(dǎo)致學(xué)生平時懈怠散漫、考前死記硬背，尤其不利于實踐性較強(qiáng)的課程學(xué)習(xí)。

針對以上提到的種種問題，需要調(diào)整數(shù)電課程的考核方式，增加學(xué)習(xí)過程、實踐表現(xiàn)的比重，調(diào)整期末考試試卷的考試重點。本課程可以將平時成績設(shè)為50%，分為課堂成績和實踐成績，各占一半比重，其中學(xué)生考勤、課堂表現(xiàn)、作業(yè)完成度等因素作為課堂成績考核指標(biāo)，翻轉(zhuǎn)課堂參與度、線上學(xué)習(xí)表現(xiàn)、實驗表現(xiàn)、實驗結(jié)果、課程設(shè)計等因素作為實踐成績考核指標(biāo);期末成績占50%，進(jìn)行期末考試命題時，應(yīng)該注意結(jié)合課堂學(xué)習(xí)重點，適當(dāng)調(diào)節(jié)考試難度，能夠充分考察學(xué)生學(xué)習(xí)成果，做到兼顧基礎(chǔ)知識和突出應(yīng)用性特點。

改革后考核方式更加注重學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的表現(xiàn)，提高學(xué)生平時學(xué)習(xí)的熱情，使學(xué)生更加有興趣參與實驗實踐，培養(yǎng)獨立思考、實踐操作和創(chuàng)新能力。

4? 教師培養(yǎng)

教師是學(xué)生的引路人，教師培養(yǎng)是教學(xué)改革的核心環(huán)節(jié)，教師的能力和素質(zhì)決定了教學(xué)改革的發(fā)展方向。任課教師需要系統(tǒng)學(xué)習(xí)《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程，了解本課程在課程體系中地位，根據(jù)技術(shù)發(fā)展方向及時更新知識體系，熟悉與電路和模電等前修課程之間的聯(lián)系，掌握本課程在后續(xù)課程中的作用，能夠熟練地處理教材中的側(cè)重點。

目前應(yīng)用本科院校中大部分是獨立學(xué)院，但是獨立學(xué)院辦學(xué)歷史較短，辦學(xué)基礎(chǔ)薄弱，教師隊伍結(jié)構(gòu)不均衡，自有教師中大多是畢業(yè)不久的青年教師，還有部分年齡偏大的退休返聘教師，骨干教師數(shù)量較少，存在教師流動性大、授課能力不強(qiáng)、學(xué)術(shù)科研水平有限等問題[7]，需要進(jìn)一步提高青年教師的能力。

在自有教師培養(yǎng)的過程中，需要完善教師的培訓(xùn)機(jī)制和學(xué)校的管理體制，青年教師大部分是畢業(yè)之后直接進(jìn)校工作，缺乏專業(yè)技能培訓(xùn)，教育教學(xué)理念和方法有待提高，因此要健全培訓(xùn)制度，不能僅僅局限于崗前培訓(xùn)，要制定合理的培訓(xùn)考核機(jī)制，持續(xù)關(guān)注青年教師的專業(yè)技能發(fā)展。

青年教師也要認(rèn)識到自己的不足，積極主動參加各種技術(shù)培訓(xùn)，通過說課、備課、聽課、講課比賽等各種形式不斷提高自己的教學(xué)能力;退休返聘教師教學(xué)能力強(qiáng)，經(jīng)驗豐富，青年教師應(yīng)虛心學(xué)習(xí)，主動請教;利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，學(xué)習(xí)名校名師授課方法和教學(xué)理念，提高專業(yè)技能;相關(guān)專業(yè)互相學(xué)習(xí)，共同參加競賽指導(dǎo)，通過比賽了解最新技術(shù)知識，更新教學(xué)內(nèi)容。

5? 結(jié)語

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》在應(yīng)用本科電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)中具有不可替代的作用，幫助學(xué)生掌握電子信息基礎(chǔ)知識、了解信息處理工作基本方法。根據(jù)專業(yè)特色進(jìn)行本課程教學(xué)改革，提高教學(xué)效果，進(jìn)而培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神和實踐能力的應(yīng)用型計電子人才。

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