新工科背景下數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)改革探究

李宏杰 常盛華

摘要：為了培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情懷和社會(huì)責(zé)任感，提高學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)的積極性，探究了一種新工科背景下數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)改革方法。文章分別從課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)、教學(xué)目標(biāo)設(shè)定、課堂組織形式、課堂目標(biāo)評(píng)價(jià)四個(gè)方面進(jìn)行介紹，并且把嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器發(fā)射環(huán)節(jié)融入課堂教學(xué)，驗(yàn)證課本理論正確的同時(shí)提高了學(xué)生的民族自豪感，同時(shí)為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)做好知識(shí)鋪墊。

關(guān)鍵詞：新工科體系;數(shù)字電子技術(shù);嫦娥五號(hào)探測(cè)器;教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）12-0116-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

數(shù)字電子技術(shù)是一門(mén)電子信息類(lèi)工科專(zhuān)業(yè)所必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，通過(guò)數(shù)字電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生們可以掌握布爾邏輯、門(mén)電路、觸發(fā)器、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、AD/DA轉(zhuǎn)換等知識(shí)[1]，為后續(xù)單片機(jī)原理、嵌入式原理及應(yīng)用等課程做好知識(shí)鋪墊。然而，傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)課堂教學(xué)老師在課上只講解課本主干理論知識(shí)，學(xué)生課下僅靠做課后習(xí)題進(jìn)行知識(shí)鞏固，這種陳舊的教學(xué)模式很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的課堂積極性和學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)由于采用的教材一般為國(guó)家規(guī)劃類(lèi)的工科教材，課本中除了規(guī)定的主干知識(shí)以外很少有新工科體系元素融入進(jìn)去，不能較好地體現(xiàn)新時(shí)代高等教育“立德樹(shù)人”的根本任務(wù)和使命[2]。

將新工科體系元素融入課堂是時(shí)代的需要，陳寶生部長(zhǎng)曾在新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議上指出“堅(jiān)持以本為本，推進(jìn)四個(gè)回歸”，尤其是在新冠疫情常態(tài)化背景下世界各國(guó)進(jìn)入百年未有之大變局，“立德樹(shù)人”成了高等教育的一項(xiàng)根本使命和任務(wù)，如何將新工科體系元素更好地融入專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)成了一項(xiàng)所有高校專(zhuān)任教師亟待解決的問(wèn)題。

為了培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情懷和社會(huì)責(zé)任感，挖掘數(shù)字電子技術(shù)中所蘊(yùn)含的新工科體系元素，本文探究了一種新工科體系背景下數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)改革方法。分別從課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)、教學(xué)目標(biāo)設(shè)定、課堂組織形式、課堂目標(biāo)評(píng)價(jià)四個(gè)方面進(jìn)行介紹，并且把嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器發(fā)射環(huán)節(jié)引入課堂教學(xué)，驗(yàn)證課本理論正確的同時(shí)提高了學(xué)生的民族自豪感，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)做好知識(shí)鋪墊。

1 傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)模式

傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)模式是由教師在課上僅講解課本主干知識(shí)，通常不會(huì)把新工科體系元素融入課堂教學(xué)中去，學(xué)生在課下通過(guò)做課后習(xí)題進(jìn)行練習(xí)鞏固的模式。例如在學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)第六章第四小節(jié)“計(jì)數(shù)器”時(shí)，教師首先給出計(jì)數(shù)器的概念和分類(lèi)，然后通過(guò)講解由觸發(fā)器設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器使學(xué)生了解計(jì)數(shù)器的工作過(guò)程和原理，最后通過(guò)講解集成計(jì)數(shù)器使得學(xué)生能夠掌握反饋清零法、反饋置數(shù)法和級(jí)聯(lián)法，并且可以綜合運(yùn)用以上三種方法來(lái)設(shè)計(jì)任意進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。圖1為由T觸發(fā)器組成的四位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，由于T觸發(fā)器的特性方程為：

[Qn+1=T⊕Qn]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

當(dāng)T觸發(fā)器的輸入端接到高電平1時(shí)，T觸發(fā)器的特性方程就變成了：

[Qn+1=Qn]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

因此時(shí)鐘信號(hào)每來(lái)一個(gè)上升沿信號(hào)，F(xiàn)F1的輸出端Q1就會(huì)翻轉(zhuǎn)一次。其余三個(gè)T觸發(fā)器FF2～FF4的輸入端都接成來(lái)自其i-1低位輸出的邏輯與，只有各觸發(fā)器的i-1低位都輸出為高電平時(shí)，第i位才能實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，這樣就實(shí)現(xiàn)了四位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)的功能。

在講解了由觸發(fā)器設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器之后，學(xué)生們可以從中了解計(jì)數(shù)器的工作過(guò)程和原理，接著就講解如何利用集成計(jì)數(shù)器來(lái)設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在講解過(guò)程中給出反饋清零法、反饋置數(shù)法、級(jí)聯(lián)法三種構(gòu)造計(jì)數(shù)器的方法。最后通過(guò)講解一道例題，如何利用集成同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160來(lái)構(gòu)造60進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，如圖2所示。該示例采用了反饋清零法和級(jí)聯(lián)法，想要構(gòu)造60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，就需要低位片設(shè)置成10進(jìn)制，高位片設(shè)置成6進(jìn)制，然后低位片和高位片級(jí)聯(lián)就設(shè)計(jì)成了60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。由于74LS160是異步清零方式，因此高位片想要設(shè)置成6進(jìn)制的清零邏輯為，這樣就構(gòu)造出來(lái)了60進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)模式雖然看似原理簡(jiǎn)單，便于學(xué)生理解，但是這些知識(shí)往往都是學(xué)生在課堂上被動(dòng)學(xué)習(xí)和接受的，有相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)于這些枯燥的理論沒(méi)有學(xué)習(xí)興趣，課堂抬頭率不高，學(xué)生對(duì)于這些知識(shí)的概念僅僅停留在“會(huì)做題，會(huì)考試”的層次上[4]。而且，傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)模式?jīng)]有把新工科體系元素融入進(jìn)去，不能較好地體現(xiàn)高等教育中“立德樹(shù)人”的根本任務(wù)和使命。

2 新工科體系背景下數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)模式

新工科體系背景下數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)模式采用以“項(xiàng)目導(dǎo)向化”的方式進(jìn)行知識(shí)鏈組織和講授，以“面向產(chǎn)出”為根本的教育理念，同時(shí)在知識(shí)傳授過(guò)程中充分挖掘知識(shí)鏈中所蘊(yùn)含的新工科體系元素[5]。同樣，還是以上文中提到的數(shù)字電子技術(shù)第六章第四小節(jié)“計(jì)數(shù)器”的知識(shí)為例。課堂以專(zhuān)題的形式展開(kāi)，共分為以下4個(gè)環(huán)節(jié)：（1）課堂知識(shí)導(dǎo)入，通過(guò)當(dāng)前時(shí)事新聞和愛(ài)國(guó)主義范例引入本節(jié)所要講解知識(shí);（2）以生活中常見(jiàn)的電子器件設(shè)計(jì)為課堂教學(xué)目標(biāo)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情;（3）課堂組織形式采用小組合作形式，分組協(xié)作討論設(shè)計(jì)原理和思路;（4）通過(guò)Multisim和QuartusII仿真軟件進(jìn)行原理驗(yàn)證，最終制作出來(lái)實(shí)物進(jìn)行感受并且做出合理公正的課程目標(biāo)評(píng)價(jià)。

2.1 新工科體系背景下的課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)

本次授課在講解“計(jì)數(shù)器”之前，首先啟發(fā)學(xué)生尋找生活中用到計(jì)數(shù)功能的電子設(shè)備，從交通紅綠燈到倒計(jì)時(shí)電路，從起床鬧鐘到火箭發(fā)射倒計(jì)時(shí)點(diǎn)火，這些情景都涉及了計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)的功能。為了提高學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情懷和民族自豪感，本節(jié)“計(jì)數(shù)器”課程的導(dǎo)入環(huán)節(jié)采用“嫦娥五號(hào)”衛(wèi)星月球挖壤。在2020年11月24日凌晨，我國(guó)在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)，用長(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭成功發(fā)射探月工程嫦娥五號(hào)探測(cè)器，這是人類(lèi)時(shí)隔44年再一次用探測(cè)器登錄月球表面并帶回月球土壤標(biāo)本，我國(guó)也成了世界上繼美、蘇之后第三個(gè)實(shí)現(xiàn)月球采樣返回的國(guó)家[6]。更深層次講，習(xí)近平總書(shū)記在主持全國(guó)科學(xué)家座談會(huì)上發(fā)表重要講話：“我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和民生改善比過(guò)去任何時(shí)候都更加需要科學(xué)技術(shù)解決方案，都更加需要增強(qiáng)創(chuàng)新這個(gè)第一動(dòng)力”。這就要求我們所有同學(xué)更好地學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，練就過(guò)硬的本領(lǐng)，為中華民族的偉大復(fù)興貢獻(xiàn)出自己的力量。長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空前的倒計(jì)時(shí)點(diǎn)火情景就可以引入本節(jié)課所要講解的“計(jì)數(shù)器”的知識(shí)，同時(shí)通過(guò)“嫦娥五號(hào)”成功實(shí)現(xiàn)月球挖壤可以提高學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情懷和民族自豪感，達(dá)到將新工科體系元素引入課堂的目的。

2.2 新工科體系背景下的課堂教學(xué)目標(biāo)設(shè)定

為了提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，并且結(jié)合本節(jié)課所要講的“計(jì)數(shù)器”的知識(shí)目標(biāo)，以“項(xiàng)目導(dǎo)向法”為教學(xué)的組織手段，最終選取以制作一個(gè)計(jì)數(shù)報(bào)警器為本次授課的教學(xué)目標(biāo)，要求學(xué)生們制作一個(gè)60進(jìn)制的計(jì)數(shù)報(bào)警器，輸入級(jí)以四角開(kāi)關(guān)作為脈沖輸入，每按一次開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。中間級(jí)通過(guò)74LS192計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)和反饋清零設(shè)計(jì)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。輸出級(jí)以555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，觸發(fā)之后產(chǎn)生10s的高電平來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LED燈進(jìn)行聲光報(bào)警。這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)計(jì)數(shù)器的知識(shí)時(shí)既可以學(xué)習(xí)反饋清零、反饋置數(shù)、級(jí)聯(lián)等設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的方法，又可以把555定時(shí)器的知識(shí)綜合進(jìn)去，在學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生還可以通過(guò)Multisim、QuartusII等仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后動(dòng)手制作PCB來(lái)進(jìn)行實(shí)物感受。

2.3 新工科體系背景下的課堂組織形式

新工科體系背景下的課堂組織形式采用“雨課堂+大學(xué)慕課”的形式，首先在課程開(kāi)課之前先讓學(xué)生們?cè)诖髮W(xué)慕課上預(yù)習(xí)課程知識(shí)，使學(xué)生帶著問(wèn)題來(lái)學(xué)習(xí)，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生的頭腦風(fēng)暴[7]。在課上通過(guò)小組合作的形式，讓學(xué)生們分組討論設(shè)計(jì)原理和方案，培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。然后每個(gè)小組派一名代表到講臺(tái)上講解自己小組的設(shè)計(jì)思路和方案，大家一起討論其優(yōu)缺點(diǎn)。在此過(guò)程中遇到學(xué)生們無(wú)法解決的問(wèn)題，可以通過(guò)雨課堂發(fā)布彈幕的形式進(jìn)行課堂提問(wèn)，老師進(jìn)行集體重點(diǎn)講解和答疑，再通過(guò)雨課堂發(fā)布習(xí)題來(lái)檢驗(yàn)學(xué)生掌握的程度，體現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)理念，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有效解決了課堂抬頭率不高的問(wèn)題。

2.4 新工科體系背景下的課程目標(biāo)評(píng)價(jià)

新工科體系背景下的課程目標(biāo)評(píng)價(jià)采用項(xiàng)目成果評(píng)價(jià)形式，即以小組為單位提交各位學(xué)生制作的計(jì)數(shù)報(bào)警器實(shí)物和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)物的好壞和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容對(duì)每位學(xué)生的掌握程度做出合理公正的評(píng)價(jià)，將其成績(jī)計(jì)入期末考試的過(guò)程考核分?jǐn)?shù)中，圖3為學(xué)生制作的計(jì)數(shù)報(bào)警器實(shí)物。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)的理論教學(xué)模式，針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)模式陳舊、不能較好地融入課堂思政等缺點(diǎn)，探究了一種新工科體系背景下數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)改革方法，分別從課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)、教學(xué)目標(biāo)設(shè)定、課堂組織形式、課程目標(biāo)評(píng)價(jià)四個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革探究，同時(shí)把嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器發(fā)射環(huán)節(jié)融入課堂教學(xué)，驗(yàn)證課本理論正確的同時(shí)提高了學(xué)生的民族自豪感，同時(shí)為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)做好知識(shí)鋪墊。

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