“數(shù)字電子技術(shù)”課程思政元素探討

韓力英，武 一，吳煥麗

(河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401)

0 引言

2021年3月20日，高校課程思政建設(shè)系列研討會第一次專題研討會由清華大學(xué)和高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會承辦，七萬多人在線觀看。會議就課程思政建設(shè)研究和建設(shè)實踐中的認(rèn)識與思考等進行了深入交流與深刻研討。同時，教育部辦公廳于3月16日發(fā)布了課程思政示范項目建設(shè)工作，作為高校本科專業(yè)課程，是課程建設(shè)的“主陣地”，是課堂教學(xué)的“主渠道”。作為高校教師要充分挖掘?qū)I(yè)課程中的思政元素，發(fā)揮“主力軍”作用，始終堅持立德樹人，使價值塑造，知識傳授，能力培養(yǎng)同向同行。

世界是模擬的，而將模擬的世界數(shù)字化，為信號的存儲、傳輸、處理找到了便捷路徑，這就是數(shù)字電子技術(shù)出現(xiàn)的意義。數(shù)字電子技術(shù)的出現(xiàn)，帶來了電子產(chǎn)品的革命，改變了世界的通信技術(shù)，同時為大數(shù)據(jù)、人工智能、航空航天技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。如今，數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展與壯大，已經(jīng)逐漸占領(lǐng)了全球信息化進程的主導(dǎo)地位。

從1904年弗萊明證實電子管的閥門作用，到1948年美國貝爾實驗室晶體管的問世，再到今天超大規(guī)模集成電路的使用，短短一百多年時間，可以說電子技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了一個又一個奇跡，改變了人們的生活。沒有數(shù)字電子技術(shù)的出現(xiàn)，就沒有今天飛速發(fā)展的科技進步?！皵?shù)字電子技術(shù)”課程授課教師在保證學(xué)生掌握基本理論及基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，如何挖掘思政元素，做好課程設(shè)計，從根本上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)對數(shù)字電子技術(shù)的興趣，使之主動學(xué)習(xí)，探索數(shù)字電子技術(shù)的奧秘，勇于創(chuàng)新，使之在內(nèi)心充滿為自己、為祖國、為世界、更是為科技的發(fā)展貢獻自己的力量的激情，是值得探索和討論的話題。

1 課程各模塊的思政元素

“數(shù)字電子技術(shù)”課程是高校電類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)和專業(yè)基礎(chǔ)課程，每個學(xué)校根據(jù)自己的專業(yè)設(shè)置實際情況，該課程大致都包含數(shù)制與碼制，邏輯代數(shù)基礎(chǔ)，邏輯門電路，組合邏輯電路，時序邏輯電路，常用集成電路模塊及應(yīng)用，可編程邏輯器件，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器以及波形整形電路等模塊。下面是每個模塊可涉及到的思政元素[1-3]。

1.1 數(shù)制與碼制

數(shù)字電子技術(shù)給人們的日常生產(chǎn)生活帶來了巨大改變，作為中國未來的建設(shè)者，都有學(xué)好數(shù)字電子技術(shù)的責(zé)任。

數(shù)制與碼制的出現(xiàn)，對計算機技術(shù)發(fā)展的影響，對信息技術(shù)、航空航天、人造衛(wèi)星的的推動作用，對海陸空交通的影響，對人工智能領(lǐng)域的影響都是巨大的。

1.2 邏輯代數(shù)基礎(chǔ)

邏輯代數(shù)基礎(chǔ)部分，講述一些公理和定理，數(shù)字電路設(shè)計需要遵循這些公理和定理，如違背了這些公理和定理，電路就不能正常工作。社會也有健康發(fā)展的規(guī)律、安全的規(guī)律、法律的制約規(guī)律等，萬物都有它的制約因素，違背了就會收到一定的懲罰。邏輯函數(shù)表達(dá)具有兩種標(biāo)準(zhǔn)形式，積之和與和之積，我們每個人也要遵守社會道德標(biāo)準(zhǔn)，法律法規(guī)，做一個有目標(biāo)的人，做一個文明的社會人?？ㄖZ圖化簡中，要去掉對電路不受影響的因子，使學(xué)生意識到要讓自己成為社會發(fā)展的脊梁，不要成為可有可無的存在。同時萬物都有辯證發(fā)展的多樣性，對于卡諾圖化簡的無關(guān)項，可做1用可做0用，使學(xué)生意識到祖國建設(shè)哪里需要哪里去，一切行動聽指揮。

1.3 邏輯門電路

邏輯門電路中，小小的與或非門構(gòu)成了計算機，構(gòu)成了數(shù)字信號處理自動控制系統(tǒng)，正是前人不斷探索基本門電路的奧秘，才有了今天的快速計算、快速處理技術(shù)。引用荀子的“不積跬步無以至千里，不積小流無以成江?！?，使學(xué)生意識到學(xué)習(xí)知識就要一點一點的積累，最終為我所用。分析具體電路的工作原理時，每一個電阻，每一個二極管都有自己的作用，雖小都是不可或缺的，使學(xué)生意識到天下興亡，匹夫有責(zé)，每個人都要擔(dān)當(dāng)起自己的責(zé)任與義務(wù)，要樹立起正確的人生觀、價值觀、世界觀。各種類型門電路都有自己的優(yōu)缺點，在使用時，往往相互組合取長補短，使學(xué)生意識到金無足赤人無完人，三人之行必有我?guī)?，要善于學(xué)習(xí)他人的長處，彌補自己的短板。

1.4 組合邏輯電路

組合邏輯電路是由基本的門電路按照一定的設(shè)計規(guī)則，構(gòu)成的能夠滿足功能要求的各種電路。使學(xué)生意識到人生規(guī)劃很重要，向著規(guī)劃目標(biāo)努力很重要，只要努力，你可以成為父母的驕傲，國家的驕傲。在分析與設(shè)計組合邏輯電路時，有可能出現(xiàn)競爭與冒險，使學(xué)生意識到競爭無處不在，與他人競爭，與自己競爭，不要覺得今天學(xué)習(xí)與差一點沒關(guān)系，明天學(xué)習(xí)差一點沒關(guān)系，讓時間白白浪費掉，終究是失之毫厘謬以千里，要始終有競爭意識，讓這種競爭意識成為自己學(xué)習(xí)、工作前進的動力。

1.5 時序邏輯電路

給組合邏輯電路加上觸發(fā)時鐘，使之有了存儲記憶功能，就構(gòu)成了觸發(fā)器，時鐘壞了，電路就不工作了。使學(xué)生意識到要珍惜生命，自己是家庭的時鐘，身上肩負(fù)著贍養(yǎng)父母的責(zé)任，自己是國家的時鐘，身上肩負(fù)著建設(shè)國家的使命，要不忘初心，牢記使命。在分析與設(shè)計時序邏輯電路時，器件選擇不同，設(shè)計出來的電路就不同，有的選擇設(shè)計容易，有的選擇設(shè)計困難，最終都是完成相同的功能。使學(xué)生意識到雖然選擇的學(xué)校不同，專業(yè)不同，最終的目標(biāo)都是一樣的，都應(yīng)該使自己成為對社會有用的人。

1.6 常用時序集成電路模塊及其應(yīng)用

計數(shù)器是常用的集成電路模塊，它是按照一定規(guī)律記錄脈沖個數(shù)的器件，只要滿足條件，就會一直計數(shù)下去。引用海倫凱勒的例子，使學(xué)生意識到生命不息奮斗不止，要始終保持奮斗的姿態(tài)，讓自己的人生絢爛多姿。今天的美好生活，正是無數(shù)的革命先烈為了自己的理想鞠躬盡瘁死而后已換來的。在進行時序邏輯電路設(shè)計時，各種電路模塊都有自己的功能，當(dāng)它們按照一定的規(guī)則組合在一起，可以構(gòu)成規(guī)模更大的時序邏輯電路系統(tǒng)，完成一定的功能。使學(xué)生意識到團結(jié)合作很重要，只有遵紀(jì)守法，自覺維護國家穩(wěn)定。

1.7 可編程邏輯器件

不同的可編程邏輯器件的編程方式不同，能夠完成不同的設(shè)計工作。使學(xué)生意識到每個人都可以在平凡的崗位上貢獻自己的力量，不要好高騖遠(yuǎn)。針對我國芯片技術(shù)發(fā)展瓶頸受到制約問題，激發(fā)學(xué)生的家國情懷，激發(fā)學(xué)生努力學(xué)習(xí)的意識，為祖國的繁榮昌盛添磚加瓦。

1.8 D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器

在學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換器時，使學(xué)生意識到遇到問題可以從不同的角度去思考，可以用不同的方式來解決，條條大路通羅馬，只要努力，每個人最終都能實現(xiàn)自己的理想。

1.9 脈沖產(chǎn)生與整形

微分電路和積分電路是脈沖產(chǎn)生與整形模塊中最重要的部分，都是由電阻電容構(gòu)成，但是同樣的器件，不一樣的連接位置關(guān)系，就構(gòu)成了不同的電路。使學(xué)生意識到要努力學(xué)習(xí)，打好基礎(chǔ)，走到哪里都能發(fā)揮自己的作用。施密特觸發(fā)器能夠進行波形變換，信號整形，幅度鑒別，構(gòu)成多諧振蕩器等。使學(xué)生意識到人生不同階段擔(dān)任不同的角色，只有努力學(xué)好基礎(chǔ)知識，提高自己的創(chuàng)新能力，增強自己的綜合素質(zhì)，才能在今后工作生活中，順利進行角色變換。

1.10 可編程邏輯器件

通過數(shù)字電子技術(shù)實驗項目設(shè)計，使學(xué)生熟悉電子工程師的責(zé)任與道德、立足根本，根據(jù)客觀條件，選擇切實可行的方案，使學(xué)生建立良好的工程責(zé)任和工程素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的工作作風(fēng)以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。通過對實驗的設(shè)計完美性以及對實驗結(jié)果分析的正確性，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，動手能力，使自己成為德智體美勞全面發(fā)展的人。

2 課程思政設(shè)計案例

“數(shù)字電子技術(shù)”課程能夠挖掘的思政元素很多，但是并不能喧賓奪主，應(yīng)該仍然以專業(yè)課程知識學(xué)習(xí)為主，可以適時適量的插入思政元素。教師可以根據(jù)自己授課的實際情況，設(shè)計幾個思政元素點，在專業(yè)課程的教學(xué)過程中，通過一個短視頻或者在專業(yè)課程內(nèi)容講解中插入一兩句話，點到即可。例如可以在課程開始之前插入兩分鐘微課，介紹中國天問一號探測車新技術(shù)的發(fā)展。講述時序邏輯電路時，可以引用海倫凱勒的例子，激發(fā)學(xué)生對生活的熱愛，不屈不撓的奮斗精神。實驗課中潤物細(xì)無聲的融入思政元素。下面以實驗設(shè)計案例進行課程與思政元素融合。

2.1 設(shè)計案例-交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計

通過分析交通燈控制系統(tǒng)和數(shù)字電子技術(shù)知識關(guān)聯(lián)，提高思政元素與授課內(nèi)容的貼合度，培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感和創(chuàng)造的內(nèi)驅(qū)力。引導(dǎo)學(xué)生將復(fù)雜的交通燈控制系統(tǒng)工程問題，提煉抽象成基于數(shù)字電子技術(shù)的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生遵紀(jì)守法、文明交通意識，點燃學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.2 案例教學(xué)目標(biāo)

案例設(shè)計從知識、能力、素質(zhì)三個方面進行課程目標(biāo)的達(dá)成。知識目標(biāo)：掌握集成計數(shù)器的功能及典型應(yīng)用；能力目標(biāo)：學(xué)生應(yīng)具有組合邏輯電路、時序邏輯電路等電路的設(shè)計能力和實踐操作能力，應(yīng)具有查閱資料能力和電路評價能力；素質(zhì)目標(biāo)：以成功設(shè)計“交通燈控制系統(tǒng)”，培養(yǎng)學(xué)生的解決復(fù)雜工程問題能力和精益求精的工匠精神。

2.3 案例教學(xué)設(shè)計

為了引導(dǎo)學(xué)生深入理解計數(shù)器74LS161的工作原理和典型應(yīng)用，通過“交通燈設(shè)計”這樣一個主題線索，設(shè)計了驗證性→設(shè)計性→交叉學(xué)科創(chuàng)新性三個階段的實驗，內(nèi)容層層遞進，難度螺旋上升。在自學(xué)→分組學(xué)習(xí)的過程中，不斷應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂、師生討論等方法，指導(dǎo)學(xué)生能從工程和科學(xué)的觀念發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題；在進行設(shè)計的過程中，引入思政元素，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，培養(yǎng)他們遵紀(jì)守法、文明交通的意識，激發(fā)他們科技報國的愛國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

最終構(gòu)建知識、能力、素質(zhì)“三層面”的高階學(xué)習(xí)目標(biāo)。教學(xué)設(shè)計思路和實施過程如圖1所示。

圖1 教學(xué)設(shè)計實施過程

驗證性實驗階段學(xué)生通過自學(xué)，自行設(shè)計電路驗證74LS161置數(shù)、清零和移位等功能，觀察同步置數(shù)和異步清零的現(xiàn)象，理解“同步”“異步”區(qū)別。設(shè)計性實驗階段學(xué)生分組學(xué)習(xí)，共同探索使用 74LS161設(shè)計計數(shù)器電路，要求在計數(shù)達(dá)到設(shè)定值時重新開始計數(shù)，并能分組講解該組設(shè)計思路和結(jié)果。在創(chuàng)新性實驗階段，學(xué)生分組可以先進行趣味游戲?qū)W習(xí)，兩人一組選擇合適的門電路配合 74LS161 實現(xiàn)模可變計數(shù)器，要求可以實現(xiàn)1～45內(nèi)任意模計數(shù)器并可改變計數(shù)器的模。然后再進行交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計。兩人一組將復(fù)雜的交通燈控制系統(tǒng)的工程問題進行提煉，抽象完成基于數(shù)字電路的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計，并能對其他學(xué)生設(shè)計出的計數(shù)器及交通燈控制系統(tǒng)結(jié)果進行，通過分組演講，學(xué)習(xí)交流設(shè)計過程和分析過程。

設(shè)計過程中，引導(dǎo)設(shè)置思考題，加強對學(xué)生學(xué)科思維能力的培養(yǎng)。例如如何實現(xiàn)可減計數(shù)器？如何避免 74LS161 進入錯誤計數(shù)狀態(tài)？

2.4 從問題根源引出思政教育

學(xué)生在實驗設(shè)計過程中會遇到各種問題，如芯片哪個位置是1腳？計數(shù)器怎么不工作？芯片電源怎么接？電路怎么輸出不對？數(shù)碼管顯示怎么不對？

問題根源：學(xué)生對數(shù)字電路的原理理解不透徹。

為了解決這個問題，本案例試圖從以下幾個方面來加深學(xué)生對原理的理解，提高學(xué)生對數(shù)字電路的應(yīng)用能力。

如何讓學(xué)生將復(fù)雜的數(shù)字器件化繁為簡？

如何讓學(xué)生自己動手理解組合邏輯電路、時序電路原理？

以學(xué)生實驗項目設(shè)計和實驗操作中實際遇到的問題為載體，通過對問題的深入分析與實驗驗證，引導(dǎo)學(xué)生加深對邏輯組合電路、時序電路等理論概念的理解，使學(xué)生能夠深刻體會實際動手操作與軟件仿真的區(qū)別，學(xué)習(xí)解決工程實際問題的思路與方法，引導(dǎo)學(xué)生了解可以進一步學(xué)習(xí)的知識點，明白“工匠精神”在實際項目開發(fā)中的意義，引導(dǎo)學(xué)生將復(fù)雜問題分解，將復(fù)雜元件的邏輯問題剖析成最基本電路原理。該案例能夠使學(xué)生掌握科學(xué)的分析方法，遇到復(fù)雜工程問題時可以逐級分解學(xué)過的基礎(chǔ)理論知識，從而提高解決復(fù)雜工程問題的能力。

3 結(jié)語

“數(shù)字電子技術(shù)”課程可以通過思政元素挖掘和課程設(shè)計過程，全面落實立德樹人根本任務(wù)。以社會主義核心價值觀為引領(lǐng)，以社會需求為導(dǎo)向，以知識傳授，能力培養(yǎng)為目標(biāo)，教學(xué)過程中，通過自身實事求是的工作作風(fēng)以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度潤物無聲地融入到課堂教學(xué)活動當(dāng)中。通過電路分析與設(shè)計，實驗項目設(shè)計等深入挖掘思政元素，培養(yǎng)學(xué)生的競爭意識、務(wù)實精神，責(zé)任與擔(dān)當(dāng)，自學(xué)與反思能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，創(chuàng)新活力與能力，理論聯(lián)系實際的能力，動手能力，使學(xué)生樹立正確的價值觀、人生觀、世界觀和社會責(zé)任感。