計(jì)算機(jī)專業(yè)“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程改革實(shí)踐

徐朝農(nóng)， 張 曄

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系， 北京 102249)

0 引言

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中不斷涌現(xiàn)出有關(guān)計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的新內(nèi)容，如深度學(xué)習(xí)、社交網(wǎng)絡(luò)等。這對(duì)擴(kuò)寬學(xué)生的視野不無(wú)裨益。相對(duì)而言，專業(yè)基礎(chǔ)課由于離應(yīng)用相對(duì)較遠(yuǎn)，課程內(nèi)容相對(duì)繁雜。以“電路分析”、“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”三門課程為例，這些課程的理論知識(shí)抽象難懂，教材篇幅龐大，內(nèi)容繁多，加上有些學(xué)生認(rèn)為這是電子工程專業(yè)專屬課程，和計(jì)算機(jī)專業(yè)沒(méi)關(guān)系，造成了教師難教、學(xué)生不愿意學(xué)的現(xiàn)象。然而，毫無(wú)疑問(wèn)的是：這些教學(xué)內(nèi)容是計(jì)算機(jī)專業(yè)課程學(xué)習(xí)所必需的專業(yè)基礎(chǔ)，也是學(xué)生今后向深層次發(fā)展必備的基礎(chǔ)[1]。如何克服上述困難，就必須解決這些課程教與學(xué)之間的矛盾，這些課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)改革勢(shì)在必行[2]。

1 教學(xué)內(nèi)容改革的具體內(nèi)容

對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)來(lái)說(shuō)，由于學(xué)科前沿不斷發(fā)展，留給基礎(chǔ)課程的教學(xué)課時(shí)不斷被壓縮，課程的關(guān)聯(lián)性也因此越來(lái)越難以被學(xué)生領(lǐng)悟，導(dǎo)致學(xué)生不得其要領(lǐng)。以我校計(jì)算機(jī)專業(yè)為例，目前唯一的硬件基礎(chǔ)課“數(shù)字邏輯”在大二學(xué)生中開(kāi)設(shè)，占有48個(gè)課時(shí)，并且其起點(diǎn)就是0、1邏輯運(yùn)算，但并沒(méi)有介紹對(duì)0、1邏輯運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)，這導(dǎo)致學(xué)生不能理解0、1的電學(xué)本質(zhì)，后續(xù)的硬件課程內(nèi)容成為無(wú)根之木。

鑒于此，我校計(jì)算機(jī)專業(yè)增設(shè)了48個(gè)課時(shí)的“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程，以完成從大學(xué)物理電磁學(xué)為起點(diǎn)到0、1邏輯運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為終點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容的貫穿。如何在這么少的課時(shí)內(nèi)涵蓋這些基礎(chǔ)內(nèi)容，并且讓學(xué)生學(xué)明白、有感悟，并進(jìn)而產(chǎn)生學(xué)習(xí)的興趣，這首先需要合理地規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容。

我們對(duì)該課程教學(xué)目標(biāo)定位為：讓學(xué)生明白門電路的實(shí)現(xiàn)原理，切實(shí)感受到0、1邏輯與邏輯運(yùn)算并不是一個(gè)空洞的概念，是可以真實(shí)地通過(guò)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。以此為根本，課程的核心內(nèi)容則為典型的與非門電路的結(jié)構(gòu)原理，而為了講清楚這核心內(nèi)容，基于三極管的基本放大電路就成為重點(diǎn)內(nèi)容，從而，電路理論中的直流和一階RC電路的內(nèi)容則是必須的。因此，這三部分的內(nèi)容就構(gòu)成課程的教學(xué)內(nèi)容。

根據(jù)多年來(lái)從事計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)、工程開(kāi)發(fā)和科學(xué)研究的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，并參考國(guó)際上類似課程的教學(xué)理念，我們提出在“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)內(nèi)容上“重體系、刪高頻精低頻、重?cái)?shù)字接口”的改革思路[3]。具體如下：

1)重體系

立足專業(yè)體系的健全是課程內(nèi)容設(shè)置的根本指導(dǎo)原則。作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，只有突出課程在學(xué)科體系中的作用和地位，以此為抓手來(lái)進(jìn)行教學(xué)，才能讓學(xué)生學(xué)知其然。參考美國(guó)MIT“電路與電子學(xué)”課程中的做法，從信息學(xué)科工程的角度來(lái)說(shuō)，其出發(fā)點(diǎn)是麥克斯韋的電磁場(chǎng)方程，并由該方程導(dǎo)出基爾霍夫定律，從而由物理世界進(jìn)入信息世界?！半娐贩治觥睆摹奥贰钡慕嵌冉榻B了理想元件組成的基本電路的分析方法，“模擬電子技術(shù)”則介紹對(duì)使用典型的電子元件，如二極管、三極管、MOS管這些實(shí)際元件所構(gòu)成的電路的分析方法。當(dāng)然，這些分析方法是建立在對(duì)這些典型電子元件的電路級(jí)模型的基礎(chǔ)上的?！皵?shù)字電子技術(shù)”則在于如何約束模擬電路的連接方式，使得其輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào)，它是該課程的根本歸宿。經(jīng)過(guò)這三部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生將從信息學(xué)科的角度在一定程度上了解了大學(xué)物理學(xué)的地位和作用，也感受到了數(shù)字世界的方便性的根源。所以，在我們的“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”授課過(guò)程中要不斷反復(fù)地突出這三部分內(nèi)容在信息學(xué)科中的地位和作用，從專業(yè)體系上逐步培養(yǎng)學(xué)生批判性學(xué)習(xí)的意識(shí)和素養(yǎng)。

2)刪高頻精低頻

這個(gè)原則主要是針對(duì)電路理論這部分內(nèi)容而言的。計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)生可能會(huì)從事軟件的開(kāi)發(fā)，也可能會(huì)從事硬件的開(kāi)發(fā)和研究工作，但從事強(qiáng)電、微波系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的可能性不大。因此，這部分教學(xué)內(nèi)容不強(qiáng)調(diào)“全”，而強(qiáng)調(diào)“用”。在我們的教學(xué)計(jì)劃中，我們選取了直流電路、一階RC電路這些低頻電路必須的理論作為教學(xué)內(nèi)容。而其他內(nèi)容，如RLC二階電路、三相電路分析、端口網(wǎng)絡(luò)、傳輸線這些內(nèi)容則不再講授。之所以這樣選擇，完全是我們的課程目的，即掌握0、1邏輯及邏輯運(yùn)算的電學(xué)實(shí)現(xiàn)而決定的。

所謂“精低頻”，并不只是在課程內(nèi)容上偏重于低頻電路，更重要的是把電路理論在模擬電子技術(shù)學(xué)習(xí)中很好地應(yīng)用起來(lái)。多年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：學(xué)生普遍覺(jué)得電路理論好學(xué)不好用，模擬電子技術(shù)則不好學(xué)也不好用。筆者認(rèn)為：?jiǎn)栴}的根源在于電路理論和模擬電子技術(shù)實(shí)踐的脫節(jié)。以模擬電路的交流通路為例，學(xué)生經(jīng)常發(fā)生困惑的一個(gè)問(wèn)題就是在建立交流回路時(shí)，為什么可以認(rèn)為電源是短路的。其實(shí)，教師只要在這部分內(nèi)容的授課時(shí)提一下電路理論中的疊加定理的作用，學(xué)生就會(huì)恍然大悟。因此，啟發(fā)學(xué)生深入思考一些表明上看起來(lái)很簡(jiǎn)單卻很難解釋清楚的問(wèn)題，會(huì)非常有利于讓他們領(lǐng)會(huì)電路理論和模擬電子技術(shù)這兩部分內(nèi)容的關(guān)系。這就是“精低頻”中精的含義。

3)重?cái)?shù)字接口

這個(gè)原則是針對(duì)數(shù)字門電路部分的。主要是考慮到我校的“數(shù)字邏輯”課程重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)邏輯特性，而非電特性卻不作為授課內(nèi)容。因此，對(duì)這部分教學(xué)內(nèi)容，一方面要強(qiáng)調(diào)如何從普通三極管放大電路過(guò)渡到數(shù)字門電路的實(shí)現(xiàn)原理，另一方面更要重視門電路的接口電特性，如拉電流、灌電流、OC門、高阻等概念的電路學(xué)根源，尤其是其中能描述這些概念本質(zhì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。其目的在于告訴學(xué)生為什么會(huì)產(chǎn)生這些概念，如何去合理地使用門電路，而不是孤立地停留于邏輯層面上。因?yàn)檫@部分內(nèi)容在后續(xù)的“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)算機(jī)接口”技術(shù)可能中都會(huì)使用到，因此也是必需的教學(xué)內(nèi)容。

在具體的教學(xué)內(nèi)容上，課程中電路理論部分的授課內(nèi)容包括直流電路、一階RC電路。一共16個(gè)課時(shí)。模擬電子技術(shù)部分的授課內(nèi)容包括半導(dǎo)體二極管及應(yīng)用電路、半導(dǎo)體三極管及應(yīng)用電路和MOS管放大電路。一共19個(gè)課時(shí)。數(shù)字門電路部分占7個(gè)課時(shí)。剩余6個(gè)課時(shí)為實(shí)驗(yàn)。筆者認(rèn)為：模擬電子技術(shù)的內(nèi)容可以根據(jù)教學(xué)學(xué)時(shí)總數(shù)進(jìn)行適度擴(kuò)充，例如：對(duì)稱放大、運(yùn)算放大器也是實(shí)踐中經(jīng)常要使用的內(nèi)容，可以適當(dāng)介紹。

2 實(shí)驗(yàn)改革的具體內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)是“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程中非常重要的部分。其根本目的在于對(duì)教學(xué)內(nèi)容的鞏固[4]。我們一共設(shè)置了三個(gè)課堂實(shí)驗(yàn)和一個(gè)自學(xué)性實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下表：

序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱主要內(nèi)容實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)1一階、二階動(dòng)態(tài)電路觀察一階、二階電路的動(dòng)態(tài)過(guò)程22晶體管共射極放大電路學(xué)習(xí)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試方法23TTL 與非門參數(shù)測(cè)試及邏輯功能的檢驗(yàn)對(duì)與非門傳輸特性的測(cè)量、邏輯電平驗(yàn)證24基于MultiSim的電路仿真學(xué)會(huì)使用MultiSim軟件并進(jìn)行仿真自學(xué)

顯然，針對(duì)每部分的教學(xué)內(nèi)容有一個(gè)實(shí)驗(yàn)與之對(duì)應(yīng)。最后一個(gè)自學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是讓學(xué)生掌握用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法，這樣可以對(duì)一些課程作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行自我檢查。如果教學(xué)時(shí)間充裕，還可以增加關(guān)于運(yùn)算放大器的實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”是我校增設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，首次在14級(jí)開(kāi)課，并在15、16級(jí)中持續(xù)進(jìn)行了內(nèi)容的調(diào)整。通過(guò)這一摸索過(guò)程，學(xué)生至少有三個(gè)收獲。①初步培養(yǎng)了從學(xué)科角度看待課程內(nèi)容的習(xí)慣，從而理順了后續(xù)每門主干課程的任務(wù)。②學(xué)習(xí)方法上更加科學(xué)化，不少學(xué)生開(kāi)始拋棄不求甚解的毛病，追求精益求精。③學(xué)生的動(dòng)手能力得以增強(qiáng)。

事實(shí)上，沒(méi)學(xué)習(xí)過(guò)“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”課的13級(jí)學(xué)生，在四年級(jí)學(xué)習(xí)“硬件綜合設(shè)計(jì)”課程中遇到了問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)他們不會(huì)從硬件根源上尋找解決辦法，而14級(jí)及其后的學(xué)生們?cè)谡{(diào)試過(guò)程中遇到問(wèn)題時(shí)，已經(jīng)敢于用示波器去測(cè)量并思索原因了，這充分說(shuō)明他們已經(jīng)開(kāi)始學(xué)會(huì)結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程了。此外，2016年本課程教學(xué)評(píng)分位于全校前10%，也充分說(shuō)明了改革的有益效果。