數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)思考與改進(jìn)

王學(xué)慧 陳 微 馬 勝

（國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 湖南長沙 410073）

引言

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)是絕大多數(shù)理工院校的重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是電子技術(shù)課程的重要組成部分，多數(shù)高校都是在學(xué)完模擬電子技術(shù)課程后開設(shè)本門課程，一般是在大二下學(xué)期開始。這一時(shí)期也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵時(shí)期，學(xué)生掌握的情況會(huì)直接影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，所以學(xué)好數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)這門課程對(duì)電子類、信息類專業(yè)的學(xué)生來說非常重要。

數(shù)字電子技術(shù)這門課程有很多知識(shí)點(diǎn)，調(diào)整培養(yǎng)方案后，該門課程的學(xué)時(shí)由56學(xué)時(shí)縮減為48學(xué)時(shí)，但教學(xué)大綱里面提出的必須掌握的知識(shí)點(diǎn)并沒有大幅度減少，因此如何在壓縮學(xué)時(shí)課時(shí)后使學(xué)生扎實(shí)地掌握數(shù)字電子技術(shù)相關(guān)知識(shí)，并有效的應(yīng)用于實(shí)踐中，是教學(xué)工作中需要不斷探索的內(nèi)容[1]。

一、課程特點(diǎn)與現(xiàn)存問題

數(shù)字電子技術(shù)是工程技術(shù)基礎(chǔ)必修課程，是電子技術(shù)知識(shí)領(lǐng)域的入門課程，具有自身的理論體系和很強(qiáng)的實(shí)踐性。其教學(xué)任務(wù)是：了解和掌握數(shù)字電子技術(shù)的基本概念、基本理論和分析設(shè)計(jì)方法，初步培養(yǎng)分析和應(yīng)用實(shí)際電路的能力，為深入學(xué)習(xí)電子技術(shù)及其在專業(yè)中的應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

目前，我們現(xiàn)有的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)突出體現(xiàn)一些問題：

以老師課堂講授為主，作業(yè)實(shí)驗(yàn)為輔的形式。我們會(huì)用貼近生活的例子或者經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生理解掌握基本原理、常見方法。但是學(xué)生自覺性和積極性不高，不能夠自發(fā)地去探討，這就嚴(yán)重制約了學(xué)習(xí)效果，畢竟工科更加看重的“吸收后的再生能力”，需要學(xué)生內(nèi)化成自己的思路與本領(lǐng)，并且做到靈活運(yùn)用，可以解決簡單問題。

實(shí)驗(yàn)課程是在對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)課堂講授之后，即理論學(xué)習(xí)之后再去安排實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，這樣或多或少會(huì)造成理論與實(shí)踐部分脫節(jié)，一方面對(duì)于所學(xué)知識(shí)的掌握會(huì)有較大折扣，另一方面也有礙于學(xué)生綜合動(dòng)手操作能力的提升。

課程內(nèi)容繁多，知識(shí)點(diǎn)較多，而且數(shù)電不同于模電的學(xué)習(xí)方法，學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)需要先學(xué)習(xí)電路分析課程，具備電路分析基本方法即可，數(shù)字電子技術(shù)需要的先修課程就在本門課程當(dāng)中介紹，就是邏輯代數(shù)，一般學(xué)校不會(huì)單獨(dú)開設(shè)邏輯代數(shù)課程，我們是在數(shù)字電子技術(shù)課程的第一章中先學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)邏輯代數(shù)，這一部分是分析數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)，比較枯燥的數(shù)學(xué)知識(shí)，會(huì)占用一部分學(xué)時(shí)。

數(shù)字電子技術(shù)主要講授集成電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)龐雜，原理性相關(guān)的講授很占用時(shí)間，一般在講授某一部分知識(shí)的時(shí)候很多情況其原理性內(nèi)容不是重點(diǎn)講授的，重點(diǎn)是怎么應(yīng)用，忽略原理的講解，沒有很好的過度，學(xué)生接受情況會(huì)比較差，而且課堂過于拘泥于課本內(nèi)容，少有實(shí)例的介紹，課上教學(xué)變得單調(diào)，從而使得同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱情也會(huì)大打折扣。在實(shí)踐教學(xué)中，多數(shù)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生缺乏興趣，學(xué)生只是機(jī)械的操作來印證課本中的原理，教學(xué)效果不佳[2]。

二、課程教學(xué)思考與改進(jìn)

課堂教學(xué)是每門課程的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在理論教學(xué)中，教師要精講重點(diǎn)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生通過學(xué)習(xí)掌握重點(diǎn)、攻克難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)習(xí)慣。我們?cè)诮虒W(xué)改革中有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，善于使用啟發(fā)式的教學(xué)方法，使教與學(xué)形成互動(dòng)。教會(huì)學(xué)生自學(xué)的方法，教會(huì)學(xué)生積極地向書本求教，向?qū)嵺`求教。

1.精心打磨第一堂課

從第一堂課開始，老師要給學(xué)生介紹本門課程的定位性質(zhì)等，在正式講授課程內(nèi)容之前對(duì)本門課程的介紹很關(guān)鍵，要在這一堂課上成功提起學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的興趣，使學(xué)生明白接下來將要學(xué)習(xí)的知識(shí)有什么用，同時(shí)也要強(qiáng)調(diào)難度，使得同學(xué)們要用心對(duì)待，愿意花時(shí)間與精力去學(xué)習(xí)掌握這門課程[1]。

數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用很多，在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見，數(shù)字秒表、倒計(jì)時(shí)牌和流水燈等，適當(dāng)舉一些簡單的實(shí)例，說明這里面和數(shù)字電子技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容。另外，可以綜合電子技術(shù)整體，進(jìn)行全面的介紹數(shù)字電子技術(shù)在一般控制系統(tǒng)中位置，聯(lián)系不同課程完成整體控制。例如，一個(gè)壓力控制系統(tǒng)，首先要把被控對(duì)象壓力這個(gè)非電量通過壓力檢測(cè)元件（傳感器）轉(zhuǎn)換成電量的模擬信號(hào)，再通過模擬信號(hào)處理電路進(jìn)行信號(hào)放大變化等，這樣處理完的信號(hào)仍是一個(gè)模擬量，不能直接送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，這就需要數(shù)字電子技術(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換相關(guān)電路來進(jìn)行處理，把處理后的數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序處理后，再反饋給被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)控，這樣講電子技術(shù)在整個(gè)控制系統(tǒng)的作用介紹給學(xué)生，明確所學(xué)知識(shí)的位置，對(duì)所學(xué)有一個(gè)整體的構(gòu)架，有利于后續(xù)學(xué)習(xí)[3]。

2.綜合改進(jìn)課堂教學(xué)方法

教師在教學(xué)環(huán)境中承擔(dān)的角色應(yīng)該是復(fù)合變化的。在課前，教師是課程的設(shè)計(jì)者和開發(fā)者；在課中，教師是課程的講授者、組織者；在課后，教師是協(xié)助者。因此，整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，教師為學(xué)生的研究創(chuàng)造條件，讓他們能在自我理解中尋找整體框架，并在理解的全過程中發(fā)揮整體的功能。多設(shè)問題，多讓同學(xué)們思考。改變一貫以來的老師講不停，學(xué)生聽不進(jìn)的突出現(xiàn)狀。

例如分析數(shù)字電路比設(shè)計(jì)數(shù)字電路要容易。先從分析入手，給一個(gè)電路圖，看起來復(fù)雜，讓同學(xué)們一步步分析輸出與輸入之間存在什么邏輯關(guān)系。雖然比老師講出來耗費(fèi)時(shí)間，但是通過思維碰撞得來的正確答案能收獲到成就感，以及通過討論糾錯(cuò)所獲得的答案印象更加深刻。

3.重視方法總結(jié)

由于數(shù)字電子技術(shù)里面相當(dāng)一部分都是集成電路知識(shí)，這些內(nèi)容內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原理講授有些困難，集成電路由成百上千甚至上萬的分立元件構(gòu)成，想要弄明白每一種電路的結(jié)構(gòu)和原理難度很大，學(xué)生也容易產(chǎn)生疲勞。

然而，學(xué)習(xí)是由簡單到復(fù)雜的一個(gè)過程，前期在講授簡單邏輯電路時(shí)可以適當(dāng)花時(shí)間和精力講授電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和原理，選擇性的精講幾個(gè)電路即可，在講授的同時(shí)要引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)電路功能端子的規(guī)律特點(diǎn)。數(shù)字電路是有一定的規(guī)律性的，總結(jié)規(guī)律是工科類學(xué)生要具備的能力，到后期，當(dāng)面對(duì)較為復(fù)雜的電路時(shí)，一部分學(xué)生自己就會(huì)得出結(jié)論，另外一部分可以通過討論、答疑得出結(jié)論。不必過分分析電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理，由外部特征進(jìn)行分析即可，再配合適量練習(xí)，即可接受相關(guān)知識(shí)，學(xué)生不會(huì)覺得過度突兀，接受效果良好。

4.配合項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

以數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作為例來說明。

（1）項(xiàng)目能力目標(biāo)

①通過本實(shí)驗(yàn)使學(xué)員熟悉計(jì)數(shù)器的工作原理，掌握利用異步反饋電路構(gòu)成N進(jìn)制計(jì)數(shù)的方法。

②掌握用計(jì)數(shù)器和門電路構(gòu)成數(shù)字式電子鐘的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法。

③訓(xùn)練的能力點(diǎn)為綜合電路設(shè)計(jì)和分析的能力點(diǎn)。

（2）實(shí)驗(yàn)具體目標(biāo)

數(shù)字式電子鐘是一種用數(shù)字顯示秒、分、時(shí)、日的計(jì)時(shí)裝置。其一般構(gòu)成框圖如圖所示，它由以下幾部分組成：石英晶體振蕩器和分頻器組成的秒脈沖產(chǎn)生器；校時(shí)電路；六十進(jìn)制秒、分計(jì)數(shù)器及24進(jìn)制（或12進(jìn)制）計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器；以及秒、分、時(shí)的譯碼顯示部分等。

秒脈沖是由石英晶體振蕩器分頻（1Hz）后得到的。秒計(jì)數(shù)到六十后，對(duì)“分計(jì)數(shù)器”送入一個(gè)脈沖，進(jìn)行分計(jì)數(shù)，分計(jì)數(shù)到六十后，對(duì)“時(shí)計(jì)數(shù)器”送入一個(gè)脈沖，“時(shí)計(jì)數(shù)器”是24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)一天24小時(shí)計(jì)數(shù)。電子鐘的顯示由計(jì)數(shù)器、譯碼器經(jīng)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)。

（3）具體落實(shí)

步驟一：用計(jì)數(shù)器74LS161、與非門74LS00等元器件構(gòu)成一個(gè)能顯示時(shí)、分和秒的數(shù)字式電子鐘。秒脈沖信號(hào)可利用實(shí)驗(yàn)箱上的開關(guān)（手動(dòng)調(diào)試時(shí)用），或是實(shí)驗(yàn)箱上的恒定頻率脈沖源產(chǎn)生，也可以利用信號(hào)發(fā)生器中的TTL脈沖輸出產(chǎn)生。時(shí)、分和秒的數(shù)字直接用實(shí)驗(yàn)箱中的數(shù)碼管顯示，只需將各位計(jì)數(shù)器的輸出接入對(duì)應(yīng)顯示數(shù)碼管的輸入端即可。

步驟二：在實(shí)驗(yàn)前先要了解芯片的外引腳及功能，熟悉74LS161的工作特性和功能表，用74LS161和與非門設(shè)計(jì)出秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器，要求整個(gè)系統(tǒng)具有異步復(fù)位功能。畫出完整的邏輯電路圖和實(shí)驗(yàn)連線圖。

步驟三：在實(shí)驗(yàn)箱上完成實(shí)驗(yàn)線路的連接。由于本實(shí)驗(yàn)芯片較多，因此在實(shí)驗(yàn)箱上要對(duì)電路作合理布局，以方便檢查及排除故障，檢查無誤后，加電測(cè)試。

（4）綜合評(píng)定

采用教師檢查驗(yàn)收和提交項(xiàng)目報(bào)告的形式完成評(píng)價(jià)。對(duì)出現(xiàn)的共性問題，大家一起討論并給出解決方案，分析比對(duì)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行講評(píng)。其中可以鼓勵(lì)學(xué)生互檢，激發(fā)學(xué)生興趣，拓寬思路。

三、成績?cè)u(píng)定適度調(diào)整

成績是學(xué)生最關(guān)心的問題，也應(yīng)該是可以客觀真實(shí)體現(xiàn)學(xué)生掌握情況的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。過去基本上依賴最終的閉卷試卷測(cè)試，現(xiàn)在更加突出過程成績的記錄。

實(shí)踐表明：在課程學(xué)習(xí)過程中，針對(duì)典型邏輯功能電路（如：編碼/譯碼器、選擇器、比較器、加法器、寄存器、計(jì)數(shù)器等）進(jìn)行設(shè)計(jì)與編程，不僅可以讓學(xué)生加深相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解，而且還可以提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，順應(yīng)大規(guī)模數(shù)字電路開發(fā)的需求；同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、獨(dú)立分析問題、解決問題的能力。單看一張期末試卷不夠全面和立體，我們最終成績?cè)u(píng)定有了不少改進(jìn)。

1.平時(shí)成績引入評(píng)價(jià)體系

從第一節(jié)課到最后一節(jié)課，全程記錄每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，包括到課情況，課堂問題解答情況，每次作業(yè)的完成情況。從一開始，就讓學(xué)生感受到他每次的認(rèn)真投入、付出都會(huì)有回報(bào)。

在作業(yè)的批改過程中，老師要花精力記錄每位同學(xué)完成情況，錯(cuò)誤多的共同點(diǎn)，可以統(tǒng)一講解答疑。也可以看出每位同學(xué)對(duì)課程的學(xué)習(xí)態(tài)度，這些都應(yīng)該放入課程評(píng)價(jià)體系里面。

我們也加入一些改革，在平時(shí)上課期間加設(shè)一些小測(cè)，對(duì)階段性的學(xué)習(xí)進(jìn)行及時(shí)測(cè)試，這些也可以算入平時(shí)成績里面。一般而言，平時(shí)成績分?jǐn)?shù)高的，最終的結(jié)課閉卷考試都比較優(yōu)秀。這也符合預(yù)期。

2.實(shí)驗(yàn)成績?cè)黾訖?quán)重

教改之前實(shí)驗(yàn)成績占比20%，現(xiàn)在我們上調(diào)到30%，可以使得學(xué)生更加重視實(shí)驗(yàn)部分。通過課堂講授、課程實(shí)驗(yàn)、課后復(fù)習(xí)答疑等過程環(huán)節(jié)，使學(xué)員經(jīng)歷從理解數(shù)字集成電路的工作原理，到應(yīng)用理論和方法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)組合邏輯和時(shí)序邏輯電路、理解計(jì)算機(jī)功能部件的工作原理，進(jìn)而了解邏輯電路設(shè)計(jì)新技術(shù)等全過程，體驗(yàn)其中的重點(diǎn)與難點(diǎn)問題，使學(xué)員分析和設(shè)計(jì)邏輯電路的能力得到培養(yǎng)和鍛煉。

通過本課程的教學(xué)，使學(xué)員對(duì)數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域有全面的了解，不斷提高對(duì)電子技術(shù)的興趣，關(guān)心相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展；同時(shí)培養(yǎng)他們嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的學(xué)習(xí)作風(fēng)和積極探索的科學(xué)精神；加深他們對(duì)電子技術(shù)在部隊(duì)信息化建設(shè)中地位的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感和使命感，形成用科學(xué)技術(shù)知識(shí)為祖國、軍隊(duì)和人民服務(wù)的意識(shí)。

結(jié)語

“教學(xué)有法”，尤其是在新時(shí)代需求下，對(duì)于不同的課程伴隨著新的特點(diǎn)，教師只有不斷在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行摸索和改進(jìn)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，利用多方法因材施教，爭取獲得相對(duì)更理想的教學(xué)效果。

總之，數(shù)字電子技術(shù)發(fā)展迅猛，僅僅具備基礎(chǔ)知識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要持續(xù)學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)，與時(shí)俱進(jìn)。知識(shí)型經(jīng)濟(jì)時(shí)代對(duì)知識(shí)與技能兼具的電子科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用型人才的需求正在不斷增加，為滿足社會(huì)發(fā)展需求，高校需要培養(yǎng)更多的優(yōu)秀的電子技術(shù)人才；而數(shù)字電子技術(shù)課程是重要基礎(chǔ)課，通過課程改革提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，挖掘?qū)W生的潛力，充分利用課堂教學(xué)資源，為祖國信息化人才貢獻(xiàn)力量。