“數(shù)字電路”課程專題式教學(xué)體系研究*

沈諒平（湖北大學(xué)物理學(xué)與電子科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430062）

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“數(shù)字電路”課程專題式教學(xué)體系研究*

沈諒平
（湖北大學(xué)物理學(xué)與電子科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430062）

摘要：“數(shù)字電路”課程是電子類及相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程之一，該課程在電子類及相關(guān)專業(yè)的課程體系中具有重要的承前啟后作用?！皵?shù)字電路”課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)嚴(yán)重影響了學(xué)生的積極性和主動性。本文構(gòu)建以學(xué)生的自主學(xué)習(xí)為主線的專題式“數(shù)字電路”課程教學(xué)體系，并建立了針對“數(shù)字電路”課程的專題式教學(xué)組織形式，從而充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)過程的主觀能動性和思維創(chuàng)新性，并最終提高學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；專題式；教學(xué)體系

引言

“數(shù)字電路”課程是電子類及相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程之一，它包括數(shù)字電子系統(tǒng)中的基本邏輯理論、基本邏輯電路、基本邏輯電路分析設(shè)計方法以及數(shù)字信號和模擬信號之間的相互轉(zhuǎn)換原理等。電子類及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生只有通過對“數(shù)字電路”課程系統(tǒng)地學(xué)習(xí)才能對“數(shù)字電路”系統(tǒng)建立初步的概念，并為綜合電子線路、微機(jī)原理和EDA等后續(xù)課程提供重要的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。因此，“數(shù)字電路”課程在電子類專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的課程體系中具有重要的承前啟后作用。

目前，國內(nèi)高校的“數(shù)字電路”課程教學(xué)包括課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分。其中課堂教學(xué)一般為48學(xué)時，實(shí)驗(yàn)教學(xué)為16學(xué)時，課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)以分開授課的方式進(jìn)行。在課堂教學(xué)的過程，教師自始至終為主導(dǎo)者，從前至后講授課程包含的全部內(nèi)容。首先，這種傳統(tǒng)灌輸式的教學(xué)方式不能充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，使得學(xué)生對知識的索取完全處于被動狀態(tài)，長此以往，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低下、思維活躍性差、依賴性強(qiáng)；其次，這種循序漸進(jìn)的教學(xué)模式往往忽略了知識之間的內(nèi)在聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中囫圇吞棗，從而使得學(xué)生對知識缺乏系統(tǒng)整體性認(rèn)識，往往抓不住重點(diǎn)。最后，實(shí)驗(yàn)和理論課程分開進(jìn)行，容易導(dǎo)致理論和實(shí)踐脫節(jié)，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課程對學(xué)生實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)達(dá)不到預(yù)期效果。

然而，隨著現(xiàn)代教育教學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，國外大部分高校已經(jīng)不再采用這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式，它們在大部分的課程教學(xué)過程中，均采用專題式教學(xué)方法。在專題式教學(xué)過程中，老師將講授課程按專題進(jìn)行，老師講授、學(xué)生自我學(xué)習(xí)和師生互動的時間比例約為1:1:1。在國內(nèi)，許多文科類課程［1，2］和少了理工累科課程［3，4］已經(jīng)開始了專題教學(xué)模式的探索，并取得了良好的教學(xué)效果。因此，為了進(jìn)一步提高“數(shù)字電路”課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，本文從“數(shù)字電路”課程的教學(xué)改革探索出發(fā)，構(gòu)建專題式“數(shù)字電路”教學(xué)體系，并在此基礎(chǔ)上對課程的組織和教學(xué)進(jìn)行設(shè)計。

一、專題式教學(xué)體系的構(gòu)建

“數(shù)字電路”課程基本上涵蓋了復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)中的邏輯運(yùn)算理論和基本單元電路模塊。構(gòu)建一個復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)就如同建設(shè)一幢高樓大廈一樣，它需要添磚加瓦。因此，為了進(jìn)一步明確該課程所要講授的內(nèi)容，本文以功能不同的單元數(shù)字邏輯電路為出發(fā)點(diǎn)，以構(gòu)建復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)為宗旨，將“數(shù)字電路”的主要教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了專題化，構(gòu)建了如圖1所示的七個專題。

圖1　專題和學(xué)時構(gòu)成

專題一為邏輯函數(shù)及其電路實(shí)現(xiàn)。在傳統(tǒng)的“數(shù)字電路”教學(xué)中，邏輯函數(shù)及其基本理論主要包括邏輯函數(shù)的表示形式及其轉(zhuǎn)換、邏輯函數(shù)的公式法化簡和卡諾圖化簡等。門電路主要介紹基于CMOS和TTL兩種類型基本門電路、特殊門電路（如三態(tài)門、OC門和OD門）等的構(gòu)成及其輸入輸出特性。由于兩個章節(jié)的內(nèi)容分開講授，除了基本邏輯運(yùn)算之外，兩個章節(jié)沒有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。尤其是當(dāng)講授完邏輯函數(shù)及其化簡進(jìn)入門電路章節(jié)的學(xué)習(xí)之后，許多學(xué)生感覺又回到了模擬電路時代。眾所周知，模擬電路課程在大學(xué)期間往往是比較難的課程之一，由于大家的這種感覺往往會加深學(xué)生對“數(shù)字電路”課程的畏懼感，從而導(dǎo)致部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣銳減。為此，將邏輯的基本表示方式及其轉(zhuǎn)換與門電路聯(lián)系起來可以有效改善這種局面，從而讓學(xué)生明確同一邏輯在進(jìn)行表示和電路實(shí)現(xiàn)的時候，表示形式和實(shí)現(xiàn)電路均不唯一，并進(jìn)一步充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生采用各種不同的門電路對同一邏輯函數(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

專題二為組合邏輯電路及其應(yīng)用。很顯然，邏輯函數(shù)的化簡就是為了在后續(xù)組合邏輯電路和時序邏輯電路設(shè)計時得到最簡電路做準(zhǔn)備的。因此，為了將組合邏輯電路的分析和設(shè)計與邏輯函數(shù)的化簡結(jié)合起來，在這個章節(jié)中講授邏輯函數(shù)的化簡。然后統(tǒng)一介紹常用中規(guī)模組合邏輯電路及其應(yīng)用。因?yàn)樽g碼器、加法器以及數(shù)據(jù)選擇器、比較器等電路都是非常成熟的電路，在原理上講解太多只會讓學(xué)生覺得枯燥無味，因此需更注重電路的使用和應(yīng)用。

專題三為時序邏輯電路及其應(yīng)用，是“數(shù)字電路”課程的難點(diǎn)和重點(diǎn)。常規(guī)“數(shù)字電路”教學(xué)中，各種類型的觸發(fā)器及其工作原理花了較多時間。實(shí)際上，在教學(xué)的過程中將時序邏輯電路的分析與觸發(fā)器及其工作原理聯(lián)系起來講授，一方面可以讓學(xué)生在具體電路中進(jìn)一步了解觸發(fā)器的作用和工作原理，另一方面更能讓學(xué)生深刻理解現(xiàn)態(tài)和次態(tài)的概念，從而為時序邏輯電路的設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。寄存器和計數(shù)器的原理相對簡單，但是基于寄存器和計數(shù)器的應(yīng)用電路設(shè)計非常靈活，為了充分啟發(fā)學(xué)生的電路設(shè)計思維，需要注重各種設(shè)計方法的應(yīng)用。

專題四位脈沖的產(chǎn)生及其應(yīng)用。其實(shí)在模擬電路中就已經(jīng)學(xué)過方波電路的產(chǎn)生方法，因此主要是讓學(xué)生了解模擬和數(shù)字脈沖信號的區(qū)別，并基于此了解常用數(shù)字脈沖的產(chǎn)生方法和實(shí)用電路，如基于555芯片構(gòu)成的施密特、單穩(wěn)態(tài)和多諧振蕩器等電路。

專題五為存儲器及其擴(kuò)展。在“數(shù)字電路”課本中，有許多關(guān)于常用存儲介質(zhì)及其原理的介紹，這些內(nèi)容完全可以讓學(xué)生在課下或課后根據(jù)自己的興趣去了解。尤其是電類及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，他們在其他課程中往往都會學(xué)習(xí)到關(guān)于存儲器及其原理的宏觀或者微觀理論。因此，作為“數(shù)字電路”而言，重要的是讓學(xué)生充分認(rèn)識存儲器在數(shù)字系統(tǒng)中的重要性，尤其是存儲器容量的確定和擴(kuò)展。

專題六為A/D和D/A原理及其應(yīng)用。首先A/D和D/A原理非常重要，它是數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵接口。因此，在學(xué)生了解A/D和D/A基本原理的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步研究現(xiàn)有常用A/D和D/A轉(zhuǎn)換方法和應(yīng)用場合。

綜上所述，本文的宗旨就是為了構(gòu)建基于復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)單元電路的專題式教學(xué)體系，因此，在學(xué)生了解并會使用數(shù)字系統(tǒng)中的單元電路之后，分析和設(shè)計綜合復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)將是進(jìn)一步提升學(xué)生綜合能力的必要環(huán)節(jié)?；诖?，專題七即綜合復(fù)雜數(shù)字邏輯系統(tǒng)將會是學(xué)生學(xué)習(xí)從量變到質(zhì)變的關(guān)鍵，并為學(xué)生電子電路綜合設(shè)計等后續(xù)課程打下良好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

二、專題式教學(xué)體系下課程教學(xué)設(shè)計

傳統(tǒng)教學(xué)主要以老師講為主，學(xué)生的自我學(xué)習(xí)為輔的教學(xué)方法。然而，專題式教學(xué)是以學(xué)生的學(xué)習(xí)為主，老師的講解、老師和學(xué)生的討論為輔的教學(xué)理念。為此，為了體現(xiàn)專題式教學(xué)的先進(jìn)性，就必需構(gòu)建基于專題式教學(xué)的教學(xué)設(shè)計。如圖2所示為“數(shù)字電路”課程專題式教學(xué)課程教學(xué)設(shè)計方案。圖2所示教學(xué)設(shè)計以學(xué)生的學(xué)習(xí)為主線，在課內(nèi)和課外學(xué)習(xí)過程中，以學(xué)生的自我學(xué)習(xí)為主，以老師的講授為輔，并著重理論與實(shí)踐的結(jié)合。

首先，講授與自學(xué)結(jié)合。眾所周知，在傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)過程中，老師一直是學(xué)生學(xué)習(xí)主宰，一種特別固定的模式就是老師的通篇講授和學(xué)生課后做作業(yè)相結(jié)合的模式。顯然，在這種傳統(tǒng)教學(xué)模式中，學(xué)生完全處于被動狀態(tài)。這種模式往往導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低下、學(xué)習(xí)積極性差，并固化了學(xué)生的學(xué)習(xí)思維。專題式教學(xué)要求老師只是課程學(xué)習(xí)的領(lǐng)路人，在課堂教學(xué)中，老師只需要闡述基本概念、基本理論和專題的重點(diǎn)和難點(diǎn)，讓學(xué)生在課堂自學(xué)和課后自學(xué)過程中有的放矢。

圖2　課程教學(xué)設(shè)計

其次，理論與仿真結(jié)合?！皵?shù)字電路”課程的重要特征是該課程的基礎(chǔ)性。基礎(chǔ)性體現(xiàn)在它涵蓋的內(nèi)容都是數(shù)字邏輯系統(tǒng)中最基本的單元電路，所有的電路元件及模型都能在常用電路仿真軟件中找到，使得“數(shù)字電路”的設(shè)計和仿真很容易開展。

再次，理論與設(shè)計性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合?！皵?shù)字電路”課程的另一個重要特征是其實(shí)踐性強(qiáng)，在課程教學(xué)中必需采用理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的教學(xué)方法。它的實(shí)踐性體現(xiàn)在“數(shù)字電路”課程中所講授的基本電路就是常用中規(guī)模集成電路，它們在常用數(shù)字邏輯系統(tǒng)設(shè)計中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。因此，基于這些常用“數(shù)字電路”的應(yīng)用電路設(shè)計及其實(shí)驗(yàn)不僅可以提高學(xué)生的動手能力，而且可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性、開拓創(chuàng)新思維。

最后，師生討論與網(wǎng)絡(luò)互動結(jié)合。學(xué)生在接觸新的知識過程中不可避免存在對知識索取的盲目性，從而導(dǎo)致對知識的理解和應(yīng)用抓不住關(guān)鍵?；诖耍蠋熥骺梢栽谡n堂討論和課后討論中起到至關(guān)重要的領(lǐng)路人的作用，需要讓學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)明確、抓住知識的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并建立知識間的內(nèi)在聯(lián)系。同時，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，老師和學(xué)生的交流渠道和交流形式更加靈活和有效?！皵?shù)字電路”課程專題教學(xué)過程中存在許多電路設(shè)計和仿真分析，師生交流不僅需要語言文字交流，還需要圖形界面交流。因此，利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行圖文并茂的交流方式可以大大提高交流的效率。

總之，專題式教學(xué)雖然可以徹底改變傳統(tǒng)教學(xué)方式的種種弊端，但是只有通過明確的課堂設(shè)計，才能明確課堂組織方法，并最終提高專題式教學(xué)的效果和效率。

三、結(jié)論及展望

“數(shù)字電路”課程是電子類及相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程之一，該門課程對學(xué)生電子類知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和后續(xù)課程的學(xué)習(xí)均具有重要的理論和實(shí)踐意義。傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)嚴(yán)重影響了學(xué)生的積極性和主動性，本文構(gòu)建的專題式“數(shù)字電路”課程教學(xué)以學(xué)生的自主學(xué)習(xí)為主線，并建立了針對“數(shù)字電路”課程的專題式教學(xué)教學(xué)組織形式，從而充分發(fā)揮了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程的主觀能動性和創(chuàng)新思維，提高了學(xué)習(xí)的效率和效果。專題式“數(shù)字電路”課程教學(xué)設(shè)計在構(gòu)建的過程中始終以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，以教師的輔導(dǎo)和討論為輔，因此，怎樣科學(xué)合理地評價學(xué)生的學(xué)習(xí)也是需要進(jìn)行進(jìn)一步深入研究的問題。

參考文獻(xiàn)

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［4］吳明贊.“工程電磁場”課程的專題研究性教學(xué)模式［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011，33（3）：8-11.

Abstract:The Digital Circuit is a basic core course of electronics and other related majors，which plays pivot roles among curriculum system. Students are more motivated and initiative taught by means of practical mode than by traditional theoretic mode. Therefore，a new thematic teaching system for the Digital Circuit is constructed in this paper with purpose of improving the activeness and innovation of the students，and in turn the learning effectiveness and teaching caliber will be promoted systematically.

Keywords:Digital Circuit；thematic mode；teaching system

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）11-0076-03

*基金項目：2015年湖北大學(xué)教改項目（面向電子科學(xué)與技術(shù)產(chǎn)業(yè)計劃專業(yè)構(gòu)建基于過程監(jiān)控與評價的專題式數(shù)字電路課程教學(xué)體系研究）資助

作者簡介：沈諒平（1976-），男，博士，副教授，從事電子基礎(chǔ)理論教學(xué)、新型納米電介質(zhì)和電力設(shè)備在線監(jiān)測研究工作。