在“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

謝劍斌,李沛秦,閆 瑋,劉 通,丁文霞

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410073)

“數(shù)字電子技術(shù)”(簡(jiǎn)稱“數(shù)電”)是高等院校工科電子信息、電氣信息類(lèi)各專業(yè)和部分非電類(lèi)本科生必修的技術(shù)基礎(chǔ)課[1]。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)后不但掌握數(shù)字電子技術(shù)的基本概念、基本電路、基本分析方法和基本實(shí)驗(yàn)技能,而且可使學(xué)生提高系統(tǒng)集成能力、綜合應(yīng)用能力和仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?并使學(xué)生建立以下三個(gè)重要觀念[2]:①系統(tǒng)觀念:一個(gè)數(shù)字電子系統(tǒng)從信號(hào)的獲取和輸入、數(shù)字處理、輸出和驅(qū)動(dòng),到各部分電路之間的功能作用、參數(shù)設(shè)置和邏輯關(guān)系等需要相互協(xié)調(diào),只有通盤(pán)考慮和全面調(diào)試才能獲得理想效果;②科學(xué)進(jìn)步觀念:數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展,比其它任何技術(shù)都快,學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)時(shí)應(yīng)立足于基礎(chǔ),放眼于未來(lái);③創(chuàng)新觀念:電子器件的產(chǎn)生背景、電路構(gòu)思和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)都具有啟發(fā)性,能夠充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。

1 基于創(chuàng)新思維法的數(shù)電教學(xué)

1.1 要求教學(xué)過(guò)程創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境

我們首先根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的難易、重點(diǎn)確定要求學(xué)生“發(fā)現(xiàn)”的學(xué)科結(jié)構(gòu),然后向?qū)W生提出要解決的中心課題,要求他們分析問(wèn)題情境,探索問(wèn)題的解決方法。譬如在“裁判電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”的教學(xué)中,首先讓學(xué)生進(jìn)行“二人平等裁判的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”;然后進(jìn)行“三人主副裁判的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”;最后,向?qū)W生提出如何裁決“只有兩個(gè)裁判同意”的問(wèn)題,引發(fā)學(xué)生思考,設(shè)計(jì)出各種各樣的規(guī)則與電路,組織大家討論,評(píng)選出社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)中常用的電路[3]。

1.2 要求啟發(fā)點(diǎn)撥與分析驗(yàn)證

我們鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)展討論,讓學(xué)生在特意制造的矛盾環(huán)境中處于思考的思維狀態(tài)之中,他們可以通過(guò)提方案、相互補(bǔ)充和正反對(duì)比等多種探討過(guò)程,對(duì)所擬訂的方案進(jìn)行檢驗(yàn)。學(xué)生擬訂的方案在討論或?qū)嶒?yàn)中加以驗(yàn)證,討論驗(yàn)證可在同桌或小組間進(jìn)行。我們?cè)谶@一環(huán)節(jié)中力求把握學(xué)生情況,主動(dòng)獲取信息,達(dá)到課堂內(nèi)的及時(shí)反饋和指導(dǎo)[4]。

1.3 要求歸納總結(jié)與掌握應(yīng)用

我們對(duì)學(xué)生整個(gè)討論和檢驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行總結(jié),補(bǔ)充教學(xué)計(jì)劃要求的每一個(gè)知識(shí)點(diǎn),同時(shí)指出重點(diǎn)和難點(diǎn),以作業(yè)形式布置給學(xué)生。在教學(xué)過(guò)程中,我們引導(dǎo)學(xué)生積極逆向思考,在掌握有關(guān)知識(shí)并獲得成功感時(shí),巧設(shè)懸念,引發(fā)他們進(jìn)一步的求知欲[5]。

1.4 合理充分運(yùn)用逆向思維法

逆向思維存在多種形式,如結(jié)構(gòu)與位置的互換:上與下、左與右等;過(guò)程上的逆轉(zhuǎn):電與磁的轉(zhuǎn)換等;邏輯代數(shù)中的反演定理:“0”與“1” 、“+”與“·” 、原變量與反變量的替換。逆向思維能夠克服思維定勢(shì),破除由經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣造成的僵化認(rèn)識(shí)模式。譬如在講述半導(dǎo)體存儲(chǔ)章節(jié)時(shí),引導(dǎo)學(xué)生采用批判性原則,深入認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體存儲(chǔ)介質(zhì)與傳統(tǒng)磁介質(zhì)的差異。

2 “數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)實(shí)踐

在講授“數(shù)字電子技術(shù)”課程時(shí),我們采用發(fā)現(xiàn)法和逆向思維法,講清器件與電路產(chǎn)生的需求背景、在系統(tǒng)中的作用、組成結(jié)構(gòu)、分析方法及存在的新問(wèn)題等,再現(xiàn)器件與電路的獲得過(guò)程;使得學(xué)生雖然學(xué)的多是間接知識(shí),但在教學(xué)過(guò)程中有新發(fā)現(xiàn)的感覺(jué),有新發(fā)展的自信心,模擬科學(xué)家的探索過(guò)程,激發(fā)其求知欲和創(chuàng)造欲,活躍學(xué)術(shù)思想[6]。在實(shí)驗(yàn)和作業(yè)的過(guò)程之中,我們啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和逆向思維,通過(guò)自己學(xué)習(xí)來(lái)發(fā)現(xiàn)知識(shí)和掌握原理,使學(xué)生用自主和探索的態(tài)度積極學(xué)習(xí)。以下給出幾個(gè)采用創(chuàng)新思維法進(jìn)行數(shù)電教學(xué)的具體實(shí)例。

2.1 格雷碼的應(yīng)用

在講述格雷碼之前,我們首先分析普通BCD編碼存在的問(wèn)題,譬如從3轉(zhuǎn)換成4時(shí)普通BCD編碼的每一位都要變,產(chǎn)生很大的尖峰電流脈沖,而且容易出錯(cuò)。那么,有無(wú)辦法每次變化都只有一位,否則就認(rèn)為控制數(shù)據(jù)出了問(wèn)題呢?我們可根據(jù)學(xué)生建議設(shè)計(jì)出任意兩個(gè)相鄰碼組之間只有一位碼元不同的編碼,得到多種形式的格雷碼。最終大家深刻體會(huì)到:格雷碼減少了由一個(gè)狀態(tài)到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)邏輯的混淆,格雷碼是錯(cuò)誤最小化代碼。大家列舉出格雷碼可以應(yīng)用在電梯控制、巡航導(dǎo)彈、航天飛機(jī)和核彈控制等高安全系統(tǒng)之中。

2.2 基于反函數(shù)的卡諾圖化簡(jiǎn)

在講述卡諾圖化簡(jiǎn)內(nèi)容時(shí),我們首先講授常規(guī)方法,就是對(duì)1構(gòu)成的最小項(xiàng)進(jìn)行組合與化簡(jiǎn),所得到的結(jié)果為F。但是對(duì)于一些1項(xiàng)特別多的函數(shù)式,其卡諾圖化簡(jiǎn)采用常規(guī)方法非常繁瑣。如果采用逆向思維,通過(guò)基于反函數(shù)的化簡(jiǎn)方法則十分快捷。以圖1為例,從卡諾圖可以看出1項(xiàng)很多,常規(guī)化簡(jiǎn)比較繁瑣,此時(shí)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)0組成的非最小項(xiàng)進(jìn)行組合化簡(jiǎn),可以很快地得到 F,然后取反得到F,有

圖1 基于反函數(shù)的卡諾圖化簡(jiǎn)實(shí)例

基于反轉(zhuǎn)原則的逆向思維法不僅可以提高卡諾圖化簡(jiǎn)的效率,而且充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.3 最大項(xiàng)和最小項(xiàng)轉(zhuǎn)化關(guān)系的應(yīng)用

在講最大項(xiàng)和最小項(xiàng)的轉(zhuǎn)化關(guān)系時(shí),學(xué)生不容易理解。于是,我們采用基于轉(zhuǎn)換原則的逆向思維法,首先通過(guò)Morgan定理(反演律)推導(dǎo)出如下公式:

然后,通過(guò)下面的具體實(shí)例,引導(dǎo)學(xué)生深入理解最大項(xiàng)和最小項(xiàng)轉(zhuǎn)換關(guān)系的巧妙應(yīng)用方法。

通過(guò)上面的推導(dǎo),使學(xué)生理解Y等于最小項(xiàng)第3、6、7 項(xiàng)之和,也等于最大項(xiàng)第 0、1、2、4、5項(xiàng)之積 。

3 結(jié)語(yǔ)

“數(shù)字電子技術(shù)”課程通過(guò)六年多的創(chuàng)新思維教學(xué)實(shí)踐與嘗試,各屆學(xué)生無(wú)論在專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣方面,還是在學(xué)業(yè)成績(jī)方面,都有大幅提高。很多學(xué)生動(dòng)手制作了構(gòu)思巧妙并具有一定實(shí)用價(jià)值的電子作品。尤其是一些愛(ài)動(dòng)腦筋的學(xué)生,從學(xué)習(xí)該課程中發(fā)現(xiàn)知識(shí)理解的新方法,逆向思維出習(xí)題解答的新思路。學(xué)生學(xué)會(huì)思維探索,提高對(duì)知識(shí)的理解記憶,為課程學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[1] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(Ver5)[M].北京:高等教育出版社,2006.05

[2] 清華大學(xué)自動(dòng)化系電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)組.電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的建設(shè)與實(shí)踐[C].北京:2004.12

[3] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ):數(shù)字部分(Ver4)[M].北京:高等教育出版社,2000

[4] 王志功譯.CMOS數(shù)字集成電路分析與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005

[5] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(Ver4)教師手冊(cè)[M].北京:高等教育出版社,2003.6

[6] 謝劍斌.基于發(fā)現(xiàn)法的數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)[C].長(zhǎng)沙:湖南省教育年會(huì)征文,2009.6