“數字電子技術”課程思政元素探討

韓力英，武 一，吳煥麗

(河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401)

0 引言

2021年3月20日，高校課程思政建設系列研討會第一次專題研討會由清華大學和高等學校大學物理課程教學指導委員會承辦，七萬多人在線觀看。會議就課程思政建設研究和建設實踐中的認識與思考等進行了深入交流與深刻研討。同時，教育部辦公廳于3月16日發布了課程思政示范項目建設工作，作為高校本科專業課程，是課程建設的“主陣地”，是課堂教學的“主渠道”。作為高校教師要充分挖掘專業課程中的思政元素，發揮“主力軍”作用，始終堅持立德樹人，使價值塑造，知識傳授，能力培養同向同行。

世界是模擬的，而將模擬的世界數字化，為信號的存儲、傳輸、處理找到了便捷路徑，這就是數字電子技術出現的意義。數字電子技術的出現，帶來了電子產品的革命，改變了世界的通信技術，同時為大數據、人工智能、航空航天技術的發展奠定了基礎。如今，數字電子技術的發展與壯大，已經逐漸占領了全球信息化進程的主導地位。

從1904年弗萊明證實電子管的閥門作用，到1948年美國貝爾實驗室晶體管的問世，再到今天超大規模集成電路的使用，短短一百多年時間，可以說電子技術的發展創造了一個又一個奇跡，改變了人們的生活。沒有數字電子技術的出現，就沒有今天飛速發展的科技進步?！皵底蛛娮蛹夹g”課程授課教師在保證學生掌握基本理論及基礎知識的基礎上，如何挖掘思政元素，做好課程設計，從根本上激發學生學習對數字電子技術的興趣，使之主動學習，探索數字電子技術的奧秘，勇于創新，使之在內心充滿為自己、為祖國、為世界、更是為科技的發展貢獻自己的力量的激情，是值得探索和討論的話題。

1 課程各模塊的思政元素

“數字電子技術”課程是高校電類專業的學科基礎和專業基礎課程，每個學校根據自己的專業設置實際情況，該課程大致都包含數制與碼制，邏輯代數基礎，邏輯門電路，組合邏輯電路，時序邏輯電路，常用集成電路模塊及應用，可編程邏輯器件，A/D和D/A轉換器以及波形整形電路等模塊。下面是每個模塊可涉及到的思政元素[1-3]。

1.1 數制與碼制

數字電子技術給人們的日常生產生活帶來了巨大改變，作為中國未來的建設者，都有學好數字電子技術的責任。

數制與碼制的出現，對計算機技術發展的影響，對信息技術、航空航天、人造衛星的的推動作用，對海陸空交通的影響，對人工智能領域的影響都是巨大的。

1.2 邏輯代數基礎

邏輯代數基礎部分，講述一些公理和定理，數字電路設計需要遵循這些公理和定理，如違背了這些公理和定理，電路就不能正常工作。社會也有健康發展的規律、安全的規律、法律的制約規律等，萬物都有它的制約因素，違背了就會收到一定的懲罰。邏輯函數表達具有兩種標準形式，積之和與和之積，我們每個人也要遵守社會道德標準，法律法規，做一個有目標的人，做一個文明的社會人?？ㄖZ圖化簡中，要去掉對電路不受影響的因子，使學生意識到要讓自己成為社會發展的脊梁，不要成為可有可無的存在。同時萬物都有辯證發展的多樣性，對于卡諾圖化簡的無關項，可做1用可做0用，使學生意識到祖國建設哪里需要哪里去，一切行動聽指揮。

1.3 邏輯門電路

邏輯門電路中，小小的與或非門構成了計算機，構成了數字信號處理自動控制系統，正是前人不斷探索基本門電路的奧秘，才有了今天的快速計算、快速處理技術。引用荀子的“不積跬步無以至千里，不積小流無以成江海”，使學生意識到學習知識就要一點一點的積累，最終為我所用。分析具體電路的工作原理時，每一個電阻，每一個二極管都有自己的作用，雖小都是不可或缺的，使學生意識到天下興亡，匹夫有責，每個人都要擔當起自己的責任與義務，要樹立起正確的人生觀、價值觀、世界觀。各種類型門電路都有自己的優缺點，在使用時，往往相互組合取長補短，使學生意識到金無足赤人無完人，三人之行必有我師，要善于學習他人的長處，彌補自己的短板。

1.4 組合邏輯電路

組合邏輯電路是由基本的門電路按照一定的設計規則，構成的能夠滿足功能要求的各種電路。使學生意識到人生規劃很重要，向著規劃目標努力很重要，只要努力，你可以成為父母的驕傲，國家的驕傲。在分析與設計組合邏輯電路時，有可能出現競爭與冒險，使學生意識到競爭無處不在，與他人競爭，與自己競爭，不要覺得今天學習與差一點沒關系，明天學習差一點沒關系，讓時間白白浪費掉，終究是失之毫厘謬以千里，要始終有競爭意識，讓這種競爭意識成為自己學習、工作前進的動力。

1.5 時序邏輯電路

給組合邏輯電路加上觸發時鐘，使之有了存儲記憶功能，就構成了觸發器，時鐘壞了，電路就不工作了。使學生意識到要珍惜生命，自己是家庭的時鐘，身上肩負著贍養父母的責任，自己是國家的時鐘，身上肩負著建設國家的使命，要不忘初心，牢記使命。在分析與設計時序邏輯電路時，器件選擇不同，設計出來的電路就不同，有的選擇設計容易，有的選擇設計困難，最終都是完成相同的功能。使學生意識到雖然選擇的學校不同，專業不同，最終的目標都是一樣的，都應該使自己成為對社會有用的人。

1.6 常用時序集成電路模塊及其應用

計數器是常用的集成電路模塊，它是按照一定規律記錄脈沖個數的器件，只要滿足條件，就會一直計數下去。引用海倫凱勒的例子，使學生意識到生命不息奮斗不止，要始終保持奮斗的姿態，讓自己的人生絢爛多姿。今天的美好生活，正是無數的革命先烈為了自己的理想鞠躬盡瘁死而后已換來的。在進行時序邏輯電路設計時，各種電路模塊都有自己的功能，當它們按照一定的規則組合在一起，可以構成規模更大的時序邏輯電路系統，完成一定的功能。使學生意識到團結合作很重要，只有遵紀守法，自覺維護國家穩定。

1.7 可編程邏輯器件

不同的可編程邏輯器件的編程方式不同，能夠完成不同的設計工作。使學生意識到每個人都可以在平凡的崗位上貢獻自己的力量，不要好高騖遠。針對我國芯片技術發展瓶頸受到制約問題，激發學生的家國情懷，激發學生努力學習的意識，為祖國的繁榮昌盛添磚加瓦。

1.8 D/A轉換器和A/D轉換器

在學習轉換器時，使學生意識到遇到問題可以從不同的角度去思考，可以用不同的方式來解決，條條大路通羅馬，只要努力，每個人最終都能實現自己的理想。

1.9 脈沖產生與整形

微分電路和積分電路是脈沖產生與整形模塊中最重要的部分，都是由電阻電容構成，但是同樣的器件，不一樣的連接位置關系，就構成了不同的電路。使學生意識到要努力學習，打好基礎，走到哪里都能發揮自己的作用。施密特觸發器能夠進行波形變換，信號整形，幅度鑒別，構成多諧振蕩器等。使學生意識到人生不同階段擔任不同的角色，只有努力學好基礎知識，提高自己的創新能力，增強自己的綜合素質，才能在今后工作生活中，順利進行角色變換。

1.10 可編程邏輯器件

通過數字電子技術實驗項目設計，使學生熟悉電子工程師的責任與道德、立足根本，根據客觀條件，選擇切實可行的方案，使學生建立良好的工程責任和工程素養，培養學生實事求是的工作作風以及嚴謹的科學態度。通過對實驗的設計完美性以及對實驗結果分析的正確性，培養學生理論聯系實際的能力，動手能力，使自己成為德智體美勞全面發展的人。

2 課程思政設計案例

“數字電子技術”課程能夠挖掘的思政元素很多，但是并不能喧賓奪主，應該仍然以專業課程知識學習為主，可以適時適量的插入思政元素。教師可以根據自己授課的實際情況，設計幾個思政元素點，在專業課程的教學過程中，通過一個短視頻或者在專業課程內容講解中插入一兩句話，點到即可。例如可以在課程開始之前插入兩分鐘微課，介紹中國天問一號探測車新技術的發展。講述時序邏輯電路時，可以引用海倫凱勒的例子，激發學生對生活的熱愛，不屈不撓的奮斗精神。實驗課中潤物細無聲的融入思政元素。下面以實驗設計案例進行課程與思政元素融合。

2.1 設計案例-交通燈控制系統設計

通過分析交通燈控制系統和數字電子技術知識關聯，提高思政元素與授課內容的貼合度，培養學生的責任感和創造的內驅力。引導學生將復雜的交通燈控制系統工程問題，提煉抽象成基于數字電子技術的交通燈控制系統設計，培養學生遵紀守法、文明交通意識，點燃學生的學習熱情。

2.2 案例教學目標

案例設計從知識、能力、素質三個方面進行課程目標的達成。知識目標：掌握集成計數器的功能及典型應用；能力目標：學生應具有組合邏輯電路、時序邏輯電路等電路的設計能力和實踐操作能力，應具有查閱資料能力和電路評價能力；素質目標：以成功設計“交通燈控制系統”，培養學生的解決復雜工程問題能力和精益求精的工匠精神。

2.3 案例教學設計

為了引導學生深入理解計數器74LS161的工作原理和典型應用，通過“交通燈設計”這樣一個主題線索，設計了驗證性→設計性→交叉學科創新性三個階段的實驗，內容層層遞進，難度螺旋上升。在自學→分組學習的過程中，不斷應用翻轉課堂、師生討論等方法，指導學生能從工程和科學的觀念發現問題、分析問題和解決問題；在進行設計的過程中，引入思政元素，培養學生精益求精的大國工匠精神，培養他們遵紀守法、文明交通的意識，激發他們科技報國的愛國情懷和使命擔當。

最終構建知識、能力、素質“三層面”的高階學習目標。教學設計思路和實施過程如圖1所示。

圖1 教學設計實施過程

驗證性實驗階段學生通過自學，自行設計電路驗證74LS161置數、清零和移位等功能，觀察同步置數和異步清零的現象，理解“同步”“異步”區別。設計性實驗階段學生分組學習，共同探索使用 74LS161設計計數器電路，要求在計數達到設定值時重新開始計數，并能分組講解該組設計思路和結果。在創新性實驗階段，學生分組可以先進行趣味游戲學習，兩人一組選擇合適的門電路配合 74LS161 實現?？勺冇嫈灯?，要求可以實現1～45內任意模計數器并可改變計數器的模。然后再進行交通燈控制系統設計。兩人一組將復雜的交通燈控制系統的工程問題進行提煉，抽象完成基于數字電路的交通燈控制系統設計，并能對其他學生設計出的計數器及交通燈控制系統結果進行，通過分組演講，學習交流設計過程和分析過程。

設計過程中，引導設置思考題，加強對學生學科思維能力的培養。例如如何實現可減計數器？如何避免 74LS161 進入錯誤計數狀態？

2.4 從問題根源引出思政教育

學生在實驗設計過程中會遇到各種問題，如芯片哪個位置是1腳？計數器怎么不工作？芯片電源怎么接？電路怎么輸出不對？數碼管顯示怎么不對？

問題根源：學生對數字電路的原理理解不透徹。

為了解決這個問題，本案例試圖從以下幾個方面來加深學生對原理的理解，提高學生對數字電路的應用能力。

如何讓學生將復雜的數字器件化繁為簡？

如何讓學生自己動手理解組合邏輯電路、時序電路原理？

以學生實驗項目設計和實驗操作中實際遇到的問題為載體，通過對問題的深入分析與實驗驗證，引導學生加深對邏輯組合電路、時序電路等理論概念的理解，使學生能夠深刻體會實際動手操作與軟件仿真的區別，學習解決工程實際問題的思路與方法，引導學生了解可以進一步學習的知識點，明白“工匠精神”在實際項目開發中的意義，引導學生將復雜問題分解，將復雜元件的邏輯問題剖析成最基本電路原理。該案例能夠使學生掌握科學的分析方法，遇到復雜工程問題時可以逐級分解學過的基礎理論知識，從而提高解決復雜工程問題的能力。

3 結語

“數字電子技術”課程可以通過思政元素挖掘和課程設計過程，全面落實立德樹人根本任務。以社會主義核心價值觀為引領，以社會需求為導向，以知識傳授，能力培養為目標，教學過程中，通過自身實事求是的工作作風以及嚴謹的科學態度潤物無聲地融入到課堂教學活動當中。通過電路分析與設計，實驗項目設計等深入挖掘思政元素，培養學生的競爭意識、務實精神，責任與擔當，自學與反思能力，激發學生的學習興趣，創新活力與能力，理論聯系實際的能力，動手能力，使學生樹立正確的價值觀、人生觀、世界觀和社會責任感。