多元融合的“數字電子技術”教學與實踐探索

馬騰達

（中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300）

一、多元融合的核心思路與方法

2020年，教育部印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》指出，全面推進課程思政建設，就是要寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中，幫助學生塑造正確的世界觀、價值觀、人生觀，這是人才培養的應有之義，更是必備內容。

“數字電子技術”是電類等專業的基礎必修課，結合中國民航大學鮮明的民航特色，在此基礎上，根據教育部文件，提出了多元融合的教學思路（圖1）。

圖1 多元融合的教學思路

如圖1所示，實現價值塑造、知識傳授和能力培養的融合是最根本的目標；基于“數字電子技術”的課程特點，結合中國民航大學電子信息工程專業鮮明的民航特色，需要實現民航精神與科學精神的融合；而傳統的教學手段或是單一的教學方式已不能滿足這種日益增長的融合需求，因此，將理論教學、虛擬仿真、實驗實踐與案例研究等多種教學方法和手段融合于課程設計與教學中，最終實現價值塑造、知識傳授和能力培養三個維度的有機融合，達到“1+1+1＞3”的效果。

多元融合的核心方法是從飛機系統的設計、制造、維護等全生命周期出發，結合對典型民航案例的深入分析，挖掘提煉“數字電子技術”課程中所蘊含的思想價值和精神內涵，從而增加課程教學設計的廣度、深度和溫度。

在飛機系統的設計、制造和維護等全生命周期中的很多實例，可以用“數字電子技術”課程中的邏輯關系來描述，將抽象的邏輯關系通過飛機系統實例具體化展示，從而提高學生對抽象概念的理解程度，拓寬課程的廣度；飛機系統的設計、制造和維護的具體實施過程，體現了系統工程等學科的設計方法和思想，如故障樹分析、冗余設計等，將這些設計采用“數字電子技術”課程中的基本概念來描述，可以使學生對可靠性設計、安全性設計等設計思想有一定了解，增加課程的深度；將這些內容置于典型民航案例如川航5·14事件這樣的大背景中進行課程教學，塑造學生正確的世界觀、價值觀與人生觀，提高課程的溫度。

通過融合多種教學手段，將從課程內容中提煉的民航精神與科學精神，在一線課堂進行具體講解，進而實現價值塑造、知識傳授和能力培養為一體的多元融合課程。

二、多元融合的課程構建

多元融合課程的構建，主要包括三個步驟：多元融合點的挖掘、多元融合線的提煉和多元融合面的展開。

（一）多元融合點的挖掘

多元融合點是指數電教學中能夠進行多元融合的教學知識點，主要包括教材中的知識點，飛機系統的設計、制造、維護等全生命周期中適合多元融合數電教學的知識點，以及典型民航案例中適合多元融合數電教學的知識點。

選取教材中的知識點作為多元融合的基礎，以“與”邏輯的表達方式這一知識點為例，可以采用電路、符號、真值表、波形圖等方式，對“與”邏輯進行說明。

選擇飛機系統的設計、制造、維護等全生命周期中適合多元融合“數字電子技術”課程教學的知識點，作為教材知識點的拓展。例如，飛機航線維護手冊指出，機務人員在駕駛艙對VOR組件進行自檢，需要滿足將預選航道設置為0度、將控制板的調諧頻率設置為108.00MHz、將導航源面板的VHF NAV電門設置為NORMAL位、將EFIS面板的VOR/ADF電門置于VOR位等多個條件時，方可通過導航控制板的TEST電門啟動VOR組件的自檢并觀察到預期現象，這一原理體現了“與”邏輯的基本概念。

選取典型民航案例中適合多元融合“數字電子技術”課程教學的知識點，作為教材知識點的拓展與升華。以川航5·14事件為典型案例，事件中，機組在高空中駕駛艙右座前風擋玻璃破裂脫落的緊急狀態下，憑借過硬的素質將飛機安全著陸。風擋中安裝有導電加溫膜，通過加熱避免風擋起霧結冰，WHC（Window Heat Computer，風擋加溫計算機）對加溫膜進行控制，并具有超溫監控等功能，當探測到溫度超過60攝氏度時，在間隔640ms確認后，由安全繼電器切斷供電，并向SDAC（System Data Acquisition Conecntrator，系統數據采集集中器）和FWC（Flight Warning Computer，飛行警告計算機）發出信號，觸發 561000 L(R)WINDSHIELD故障代碼。

WHC的超溫探測功能，能夠用“數字電子技術”課程中的單穩態觸發器進行抽象描述。如圖2所示，超溫信號觸發后，使得單穩態觸發器進入到暫穩態，暫穩態持續時間640ms，隨后恢復到穩態，此時再次進行溫度檢測，以判斷是否發生故障。

圖2 超溫報警觸發機制的抽象描述

（二）多元融合線的提煉

多元融合線是指將挖掘到的各個多元融合點，根據其相關性，將教材中的知識點與飛機系統或典型民航案例中的知識點進行聯系，并將虛擬仿真和實驗實踐貫穿其中，將“點”穿成“線”，進行升華，提煉其中蘊含的思想價值和精神內涵。

例如，在進行飛機維護操作時，需要斷開一些跳開關。不同機務人員完成不同任務時，可能都需要斷開同一跳開關，可以對這一跳開關進行多個掛簽，這些掛簽間是“與”的邏輯，當所有掛簽均被對應的機務人員清除后，才能進行跳開關的閉合操作，以防止出現人員傷亡或意外，這一原理體現了“與”邏輯的基本概念。

結合“與”邏輯的基本概念，開發對應的虛擬仿真教學資源和實驗實踐教學資源。虛擬仿真教學資源為“虛”，可以在Proteus、Multisim等虛擬仿真軟件中，采用邏輯芯片、電路或二極管實現等方式展示；實驗實踐教學資源為“實”，采用真實電路進行開發，虛實結合，二者互相補充，有利于學生對知識的深入理解，也有利于培養學生的實踐能力。

The FIT is a non-invasive test that detects human hemoglobin in stool and represents an efficacious means of CRC screening. Compliance refers to the individual’s adherence to a recommended diagnostic or therapeutic procedure.

最后，將跳開關閉合的操作要求、“與”邏輯的概念、虛擬仿真教學資源、實驗實踐教學資源相聯系，構成“與”邏輯的多元融合線。而機務維護時跳開關閉合的操作要求，體現了安全操作的科學精神，也體現了當代民航精神中團結協作的工作作風。

在進行多元融合線的提煉時，上述以單一知識點進行的提煉，稱為基本多元融合線。為了提高學生解決復雜工程問題的能力，還需要進行綜合多元融合線的提煉，即將多個知識點進行綜合，設計相應的虛擬仿真教學資源和實驗實踐教學資源，并挖掘飛機系統或典型案例中的原理或相關內容，提煉其思想價值和精神內涵，構建綜合多元融合線。

例如，甚高頻通信系統的調諧控制板，采用數碼管進行頻率顯示，可將這一內容與“數字電子技術”課程中的數碼顯示譯碼器內容相聯系，并與串行移位寄存器聯合設計顯示驅動電路，然后結合飛機調諧控制板的具體操作要求和設計原則，形成綜合多元融合線。

（三）多元融合面的展開

在挖掘多元融合點并構建了多元融合線的基礎上，進行多元融合面的展開，設計多元融合的教學內容（圖3）。

圖3 多元融合的教學設計

如圖3所示，通過理論教學講述基本知識點，進行知識傳授；通過虛擬仿真和實驗實踐教學，對知識點進行深入理解和應用，進行能力培養；通過研究知識點涉及的相關案例，弘揚當代民航精神和科學精神，進行價值塑造。

針對不同的知識內容，以及理論教學、虛擬仿真、實驗實踐、案例研究等多種教學手段安排的先后順序和作用，依據知識點內容本身的特征做出恰當的教學設計，而不應拘泥于一種固定的模式，甚至可以根據現場教學時學生的反應，動態調整甚至重構教學設計。

三、多元融合的教學實例

在飛機電子設備冷卻的基本原理中（如圖4所示），在設置主供氣風扇的同時，還有備用供氣風扇，二者為“或”的邏輯，因此，將這一來自飛機系統實例的多元融合點，與教材中的“或”邏輯知識點進行聯系，并使用Proteus軟件開發對應的虛擬仿真教學資源，以及開發實驗實踐的“或”邏輯硬件PCB電路板，構建多元融合線。

圖4 飛機電子設備冷卻的基本原理

對該多元融合線進行挖掘提煉：通過“或”邏輯的基本概念，在飛機實現電子設備冷卻時，采用主排氣風扇和備用排氣風扇組合的設計，以確保電子設備可靠冷卻的思路，體現了高可靠性設計的科學精神，也體現了當代民航精神中嚴謹科學的專業精神。

接著進行多元融合面的展開。以“或”邏輯的教學講解設計為例，采用虛擬仿真的手段，使用電路開關并聯模型，讓學生對“或”邏輯有一個基本認知；接著通過理論教學，講解“或”邏輯的表達方式；然后繼續通過虛擬仿真的方式，對“或”邏輯的“置1”功能進行仿真演示，使學生深入理解“或”邏輯；采用實驗實踐教學，通過真實的74LS32芯片，使學生對實際中的“或門”有真實認知，并通過操作電路板，加深對“或”邏輯的理解程度；最后與飛機電子設備冷卻原理相結合，說明“或”邏輯在實際中的應用，并闡述高可靠性設計的科學精神內涵，以及體現出的民航精神中嚴謹科學的專業精神內涵。

根據學生表現情況設計教學內容。如果大部分學生在高中時已經對“或”邏輯有了入門的了解，且記憶深刻，則可以直接以飛機電子設備冷卻原理引入“或”邏輯，展開講解“或”邏輯在設計中的應用，向學生傳遞高可靠性設計的科學精神，以及民航嚴謹科學的專業精神，再通過理論教學、虛擬仿真、實驗實踐教學等方式展開課程。

在教學語言設計時，可以根據多元融合教學資源的具體內容對某一功能進行講解，凝練教學語言。以“與”邏輯為例，除了基本概念外，“與”具有“置0”功能，即當“與門”的一個輸入為0時，無論另一個輸入為1或是為0，輸出永遠為0，可以用書面語言“守衛”來描述這一現象，可以使用口語語言“看大門”進行詼諧的記憶，也可以使用“一夫當關，萬夫莫開”的詩詞語言，幫助學生進行形象化的描述與記憶。

結語

基于中國民航大學電子信息工程專業的民航特色與“數字電子技術”的課程特點，將傳統的理論教學、實驗實踐與虛擬仿真、案例研究等教學方法和手段相融合，將民航精神與科學精神的培養相融合，挖掘提煉“數字電子技術”課程中所蘊含的思想價值和精神內涵，從而增加課程教學設計的廣度、深度和溫度，進而形成價值塑造、知識傳授和能力培養為一體的多元融合課堂。

實踐表明，采用多元融合理念和方法進行“數字電子技術”教學，能夠提高學生正確認識、分析和解決復雜工程問題的能力，并能夠強化學生工程倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。