電子技術(shù)系列課程教學(xué)體系的建設(shè)與實(shí)踐

田建艷，夏路易

(太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

目前電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，新器件、新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)，特別是近年來，超大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，使計(jì)算機(jī)、通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速。然而以往的電子技術(shù)系列課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法無法跟上現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)出的人才不能適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)的需要。為此，必須進(jìn)行電子技術(shù)系列課程教學(xué)改革，建立適應(yīng)新形勢需求的電子技術(shù)系列課程教學(xué)體系，使電子技術(shù)系列課程的教學(xué)與迅速發(fā)展的電子技術(shù)同步，培養(yǎng)出的人才能夠掌握現(xiàn)代電子技術(shù)，適應(yīng)市場需求。

一、電子技術(shù)系列課程的教學(xué)任務(wù)

電子技術(shù)系列課程作為電類專業(yè)和部分非電類專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，是學(xué)習(xí)微機(jī)原理、單片機(jī)、檢測技術(shù)、可編程控制器、信號(hào)處理等課程的基礎(chǔ)。多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，電子技術(shù)課程學(xué)不好，對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)影響很大。因此要首先明確電子技術(shù)系列課程的教學(xué)任務(wù)，才能建立正確的教學(xué)體系。根據(jù)教育部制定的電子技術(shù)教學(xué)大綱，我們確立了電子技術(shù)系列課程教學(xué)的基本任務(wù)：學(xué)生通過學(xué)習(xí)常用電子器件、模擬電路、數(shù)字電路及其系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，獲得電子技術(shù)方面的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，為深入學(xué)習(xí)電子技術(shù)領(lǐng)域的內(nèi)容及電子技術(shù)在專業(yè)中的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)，主要內(nèi)容包括以下方面。(1)掌握電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)。如電子元器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線、主要參數(shù)；模擬與數(shù)字基本電路的工作原理及其分析方法。(2)理解元器件的技術(shù)參數(shù)。只有正確理解元器件參數(shù)，才可以正確使用器件。(3)電子電路讀圖。通過閱讀大量例題，練習(xí)讀懂模擬與數(shù)字電路，看懂別人的電路，才能畫出自己的電路圖。(4)掌握設(shè)計(jì)電子電路的基本方法。①原理設(shè)計(jì)法：模擬電路，要求直接畫出已經(jīng)學(xué)過的單元電路，用電路分析原理給出電路元件參數(shù)；數(shù)字電路，邏輯設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)組合與時(shí)序邏輯電路。②直接設(shè)計(jì)法：模擬電路，要求采用單元電路組成更復(fù)雜電路，或者利用元件技術(shù)手冊(cè)中提供的典型電路組成自己需要的電路；數(shù)字電路，在讀懂元器件工作原理、技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，能夠直接組成電路，熟悉元器件引腳功能、邏輯電平與時(shí)序。(5)學(xué)會(huì)在硬件描述語言、EDA軟件和可編程邏輯器件支持下的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。(6)學(xué)會(huì)畫電路板。例如，可以自己設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模擬/數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)板、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板等?？梢哉f能畫電路板，就可以學(xué)習(xí)使用各種芯片，掌握學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)，從而掌握電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。

二、電子技術(shù)系列課程教學(xué)中存在的問題

目前電子技術(shù)系列課程教學(xué)中存在的主要問題有以下幾點(diǎn)。(1)課時(shí)少、內(nèi)容多。隨著新器件不斷涌現(xiàn)，書越編越厚，作業(yè)越來越多，但是課時(shí)并沒有增加，課越來越難講。(2)單片機(jī)替代了很多電子電路。由于單片機(jī)的出現(xiàn)，目前大量的電子系統(tǒng)都采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，很少直接用模擬、數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)。從電子技術(shù)大賽可以看出，產(chǎn)品的制作都需要單片機(jī)做支持，故稱之為單片機(jī)大賽更合適。在這種情況下，學(xué)生對(duì)電子技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)產(chǎn)生了困惑，學(xué)什么內(nèi)容？達(dá)到什么深度？(3)可編程邏輯器件(PLD)的出現(xiàn)改變了單片機(jī)一統(tǒng)天下的局面，使從事電子行業(yè)的人可以用PLD設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)，因此在1998年以后，很多高校興起了學(xué)習(xí)PLD的高潮。但是目前PLD大量應(yīng)用在高端產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，而在日常應(yīng)用中并不多見，所以在教學(xué)中，需要安排多少關(guān)于PLD的教學(xué)內(nèi)容，值得探討。(4)電路板設(shè)計(jì)是電子產(chǎn)品生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，沒有電路板就無法進(jìn)行電子產(chǎn)品的制作與研發(fā)。而在電子技術(shù)教學(xué)階段，一般沒有將畫電路板列入基本教學(xué)內(nèi)容，該環(huán)節(jié)的缺失，造成學(xué)生在結(jié)束電子電路課程學(xué)習(xí)之后，無法具有設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品的基本能力。

三、電子技術(shù)系列課程教學(xué)體系的建立

根據(jù)電子技術(shù)教學(xué)任務(wù)和目標(biāo)建立系列課程體系的基本原則是：(1)針對(duì)性(不同專業(yè)、不同授課對(duì)象課程體系的具體內(nèi)容和實(shí)施過程不同)；(2)可執(zhí)行性(體系內(nèi)容要量力而行，且確實(shí)可行)；(3)可擴(kuò)展性(隨著電子技術(shù)的發(fā)展，體系能夠不斷更新、不斷完善)。電子技術(shù)系列課程體系的總體框架如圖1所示。

圖1 電子技術(shù)系列課程體系的總體框架

四、電子技術(shù)系列課程教學(xué)體系的實(shí)踐

電子技術(shù)系列課程包括電子技術(shù)基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)(理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn))、數(shù)字電子技術(shù)(理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn))、模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)、數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)、現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課程。由于篇幅所限，下面僅以每個(gè)模塊最具特色的一面來闡述整個(gè)教學(xué)體系的實(shí)踐。

1.電子技術(shù)基礎(chǔ)的“精講”和“泛講”

針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)置的特點(diǎn)，我們先開設(shè)了電子技術(shù)基礎(chǔ)，內(nèi)容包括模擬電子中的基本元器件、基本放大電路和多級(jí)放大電路，以及數(shù)字電子中的數(shù)制和碼制、邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、門電路。由于這些都是電子技術(shù)最基礎(chǔ)的部分，而且這些知識(shí)掌握與否直接影響到微機(jī)原理及接口技術(shù)、單片機(jī)原理與應(yīng)用等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，因此必須強(qiáng)化理論教學(xué)。我們根據(jù)大綱“設(shè)計(jì)”教學(xué)內(nèi)容，并將具體內(nèi)容劃分為“精講”和“泛講”，例如把基本器件和基本分析方法作為精講內(nèi)容，必須講清楚、講透徹，舉一反三，使學(xué)生熟練掌握，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。而對(duì)于新工藝、新器件的內(nèi)容可以泛講，即介紹性的講解，突出它的特點(diǎn)和不同之處，以拓展學(xué)生的知識(shí)面。特別是在教學(xué)過程中反復(fù)舉例，強(qiáng)化本課程內(nèi)容在后續(xù)課程中的應(yīng)用，以便引起學(xué)生的重視，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。此外，本課程的結(jié)課考試采取閉卷形式，試題覆蓋面廣，囊括了各章節(jié)的所有內(nèi)容，題型多樣，包括：選擇題、填空題、化簡題、分析題、計(jì)算題和改錯(cuò)題等。

2.模擬電子技術(shù)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

任何一門課的實(shí)驗(yàn)都是很重要的一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，它不僅可以驗(yàn)證理論，更能培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力以及綜合能力[1]。因此對(duì)于實(shí)踐性很強(qiáng)的模擬電子技術(shù)課程來講，我們首先把實(shí)驗(yàn)劃分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三種。其中基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)不僅包括理論的驗(yàn)證，還要通過實(shí)驗(yàn)掌握常用電子儀器的使用；綜合性實(shí)驗(yàn)就是鍛煉學(xué)生的組合能力，使其將單一的知識(shí)融合，全面地分析研究模擬電子電路；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不僅要求學(xué)生設(shè)計(jì)典型的模擬電子電路，還要設(shè)計(jì)出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)步驟，并且實(shí)驗(yàn)中增加了部分選做內(nèi)容，給學(xué)生提供更大的發(fā)揮創(chuàng)新能力的空間。

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)包括硬件實(shí)物實(shí)驗(yàn)和軟件仿真實(shí)驗(yàn)，兩者優(yōu)勢互補(bǔ)。其中硬件實(shí)驗(yàn)要培養(yǎng)學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技能，認(rèn)識(shí)真實(shí)的電子元器件，正確使用電子儀器設(shè)備，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)開設(shè)EDA軟件仿真實(shí)驗(yàn)[2]，不僅大大節(jié)省硬件資源和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，而且縮短了電子電路的設(shè)計(jì)研發(fā)周期。在軟件實(shí)驗(yàn)中我們側(cè)重于對(duì)仿真結(jié)果及曲線的分析。

3.數(shù)字電子技術(shù)中課程設(shè)計(jì)的改革

課程設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)生學(xué)完某一門課程后的綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練，這種訓(xùn)練是通過學(xué)生獨(dú)立完成某一課題的設(shè)計(jì)、編程、安裝、調(diào)試來實(shí)現(xiàn)的。其目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用課程中所學(xué)的理論，解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生能夠盡早接觸實(shí)際。

電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)就是進(jìn)行簡單的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，無論題目簡單與復(fù)雜，設(shè)計(jì)過程都應(yīng)該是完整的，可以使學(xué)生盡快認(rèn)識(shí)產(chǎn)品的研發(fā)過程。即使沒有條件實(shí)際完成產(chǎn)品，只是完成理論設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證、畫電路原理圖與電路板圖，也非常有意義，因?yàn)檫@是一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，對(duì)于學(xué)生來說也是一個(gè)較為完整的產(chǎn)品研發(fā)訓(xùn)練。

由于現(xiàn)在的數(shù)字系統(tǒng)很少直接再用中小規(guī)模的數(shù)字電路來設(shè)計(jì)，而是由可編程邏輯器件組成的、在EDA的支持下實(shí)現(xiàn)的，因此數(shù)字電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)該是狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)、在可編程邏輯器件中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)、設(shè)計(jì)具有可編程邏輯器件的電路板。教學(xué)實(shí)踐表明，采用狀態(tài)機(jī)加數(shù)字部件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字電子技術(shù)最適合作為課程設(shè)計(jì)的題目。例如，某電機(jī)控制的控制要求為：當(dāng)按鈕S1按下后，第1臺(tái)電動(dòng)機(jī)M1啟動(dòng)，5s后第2臺(tái)電動(dòng)機(jī)M2啟動(dòng)；10s后第2臺(tái)電機(jī)M2停止；5s后M1停止。任何時(shí)候按下按鈕S2，可以停止工作臺(tái)運(yùn)行。

這種題目中不僅需要用硬件描述語言設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)，還需要設(shè)計(jì)定時(shí)器、分頻器、譯碼顯示電路、電源電路等數(shù)字部件。此外，還需要使用時(shí)鐘、按鈕、數(shù)碼管、發(fā)光二極管等電子元器件。

4.現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的改革

當(dāng)前高技術(shù)的數(shù)字化產(chǎn)品都需要現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，因此，我們?cè)趯W(xué)生學(xué)完模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)課程及課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上開設(shè)了現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程，其主要講授內(nèi)容是可編程邏輯器件與硬件描述語言。在硬件描述語言和邏輯綜合軟件支持下的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)方法。該方法是使用類似高級(jí)語言的硬件描述語言，直接對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行描述，一旦描述成功，可以在計(jì)算機(jī)的支持下使用EDA軟件直接形成電路，這樣就減少了將真值表或狀態(tài)圖轉(zhuǎn)化成電路的工作量，而將設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在將實(shí)際問題轉(zhuǎn)換成抽象的邏輯問題上。

雖然學(xué)生在數(shù)字電子技術(shù)課程及其設(shè)計(jì)中已經(jīng)學(xué)習(xí)了一些有關(guān)可編程邏輯器件的基本知識(shí)，但內(nèi)容膚淺，故本課程的目的是加強(qiáng)可編程邏輯器件與硬件描述語言的學(xué)習(xí)，使學(xué)生基本掌握現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程總學(xué)時(shí)數(shù)為32學(xué)時(shí)，包括講課16學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)。由于現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程是采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)分成若干模塊，再用硬件描述語言分別描述，在EDA軟件的支持下進(jìn)行綜合、仿真、引腳鎖定和適配，然后配置或編程到可編程邏輯器件[3]。因此課程中主要講授：(1)狀態(tài)機(jī)與狀態(tài)圖；(2)VHDL硬件描述語言；(3)Verilog HDL硬件描述語言；(4)Max+Plus II、Quartus II、Protel99se等軟件。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的題目，一人一題，按照學(xué)生成績單姓名列表分配題目。具體步驟分為：(1)畫出狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)圖或狀態(tài)表；(2)在Max+Plus II等軟件中，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法按照功能劃分模塊，然后分別用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)這些模塊，每個(gè)模塊都要單獨(dú)仿真；(3)建立頂層模塊圖，并仿真驗(yàn)證是否正確；(4)設(shè)置芯片為FLEX10k20TC144，按照實(shí)驗(yàn)裝置上的資源引腳位置，鎖定引腳，并通過電纜將所設(shè)計(jì)電路下載到實(shí)驗(yàn)板中，驗(yàn)證其正確性；(5)在Protel99se中畫出所設(shè)計(jì)裝置的原理圖與電路板圖；(6)如果有條件，制作電路板，焊接元件，調(diào)試電路板，直到所設(shè)計(jì)裝置能夠正常運(yùn)行；(7)寫出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告。本課程考試采用開卷考試方式。成績?cè)u(píng)定：實(shí)驗(yàn)占30分，考試占70分。

5.編寫講義、出版教材、研制實(shí)驗(yàn)裝置

為了實(shí)踐新的電子技術(shù)系列課程教學(xué)體系，配合教學(xué)內(nèi)容的更新，我們先后編寫了《電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(使用Multisim 2001)》、《數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)(ipsLEVER和MAX+PlusⅡ軟件應(yīng)用)》、《可編程邏輯器件(Lattice isp1016E)》、《可編程邏輯器件與硬件描述語言》、《EDA技術(shù)基礎(chǔ)》等講義，并在教學(xué)過程中不斷修改；正式出版了適合自己教改內(nèi)容的《電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《電子電路EDA》、《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)教程》等教材，以及國家“十一五”規(guī)劃教材《基于EDA的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)》；我們還自行研制開發(fā)了與EDA教學(xué)配套的70套CPLD實(shí)驗(yàn)裝置和40套FPGA實(shí)驗(yàn)裝置，不僅滿足了教學(xué)要求，而且緩解了學(xué)校實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足的問題。

五、結(jié)束語

經(jīng)過多年來的研究、實(shí)踐、再研究、再實(shí)踐，我們建立了一套完整的、行之有效的電子技術(shù)系列課程的教學(xué)體系。教學(xué)實(shí)踐證明，該教學(xué)模式不僅使電子技術(shù)系列課程的教學(xué)效果顯著提高，更主要的是使學(xué)生掌握了現(xiàn)代電子電路基本的設(shè)計(jì)方法，具有了一定的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)實(shí)際電子電路的能力，為實(shí)現(xiàn)“創(chuàng)新型和應(yīng)用型”人才培養(yǎng)目標(biāo)構(gòu)建了一種新的模式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳 霞，潘 嵐.電路與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系列課程教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(3)：82-84.

[2] 田建艷，夏路易.EDA支持下的電子技術(shù)教學(xué)實(shí)踐[J].教育理論與實(shí)踐，2005，25(6)：54-55.

[3] 夏路易.基于EDA的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.122-168.