多元融合的“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)與實(shí)踐探索

馬騰達(dá)

（中國(guó)民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

一、多元融合的核心思路與方法

2020年，教育部印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出，全面推進(jìn)課程思政建設(shè)，就是要寓價(jià)值觀引導(dǎo)于知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、價(jià)值觀、人生觀，這是人才培養(yǎng)的應(yīng)有之義，更是必備內(nèi)容。

“數(shù)字電子技術(shù)”是電類等專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，結(jié)合中國(guó)民航大學(xué)鮮明的民航特色，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)教育部文件，提出了多元融合的教學(xué)思路（圖1）。

圖1 多元融合的教學(xué)思路

如圖1所示，實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)的融合是最根本的目標(biāo)；基于“數(shù)字電子技術(shù)”的課程特點(diǎn)，結(jié)合中國(guó)民航大學(xué)電子信息工程專業(yè)鮮明的民航特色，需要實(shí)現(xiàn)民航精神與科學(xué)精神的融合；而傳統(tǒng)的教學(xué)手段或是單一的教學(xué)方式已不能滿足這種日益增長(zhǎng)的融合需求，因此，將理論教學(xué)、虛擬仿真、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐與案例研究等多種教學(xué)方法和手段融合于課程設(shè)計(jì)與教學(xué)中，最終實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)三個(gè)維度的有機(jī)融合，達(dá)到“1+1+1＞3”的效果。

多元融合的核心方法是從飛機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等全生命周期出發(fā)，結(jié)合對(duì)典型民航案例的深入分析，挖掘提煉“數(shù)字電子技術(shù)”課程中所蘊(yùn)含的思想價(jià)值和精神內(nèi)涵，從而增加課程教學(xué)設(shè)計(jì)的廣度、深度和溫度。

在飛機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)等全生命周期中的很多實(shí)例，可以用“數(shù)字電子技術(shù)”課程中的邏輯關(guān)系來描述，將抽象的邏輯關(guān)系通過飛機(jī)系統(tǒng)實(shí)例具體化展示，從而提高學(xué)生對(duì)抽象概念的理解程度，拓寬課程的廣度；飛機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)的具體實(shí)施過程，體現(xiàn)了系統(tǒng)工程等學(xué)科的設(shè)計(jì)方法和思想，如故障樹分析、冗余設(shè)計(jì)等，將這些設(shè)計(jì)采用“數(shù)字電子技術(shù)”課程中的基本概念來描述，可以使學(xué)生對(duì)可靠性設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)思想有一定了解，增加課程的深度；將這些內(nèi)容置于典型民航案例如川航5·14事件這樣的大背景中進(jìn)行課程教學(xué)，塑造學(xué)生正確的世界觀、價(jià)值觀與人生觀，提高課程的溫度。

通過融合多種教學(xué)手段，將從課程內(nèi)容中提煉的民航精神與科學(xué)精神，在一線課堂進(jìn)行具體講解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)為一體的多元融合課程。

二、多元融合的課程構(gòu)建

多元融合課程的構(gòu)建，主要包括三個(gè)步驟：多元融合點(diǎn)的挖掘、多元融合線的提煉和多元融合面的展開。

（一）多元融合點(diǎn)的挖掘

多元融合點(diǎn)是指數(shù)電教學(xué)中能夠進(jìn)行多元融合的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，主要包括教材中的知識(shí)點(diǎn)，飛機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等全生命周期中適合多元融合數(shù)電教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，以及典型民航案例中適合多元融合數(shù)電教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)。

選取教材中的知識(shí)點(diǎn)作為多元融合的基礎(chǔ)，以“與”邏輯的表達(dá)方式這一知識(shí)點(diǎn)為例，可以采用電路、符號(hào)、真值表、波形圖等方式，對(duì)“與”邏輯進(jìn)行說明。

選擇飛機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等全生命周期中適合多元融合“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，作為教材知識(shí)點(diǎn)的拓展。例如，飛機(jī)航線維護(hù)手冊(cè)指出，機(jī)務(wù)人員在駕駛艙對(duì)VOR組件進(jìn)行自檢，需要滿足將預(yù)選航道設(shè)置為0度、將控制板的調(diào)諧頻率設(shè)置為108.00MHz、將導(dǎo)航源面板的VHF NAV電門設(shè)置為NORMAL位、將EFIS面板的VOR/ADF電門置于VOR位等多個(gè)條件時(shí)，方可通過導(dǎo)航控制板的TEST電門啟動(dòng)VOR組件的自檢并觀察到預(yù)期現(xiàn)象，這一原理體現(xiàn)了“與”邏輯的基本概念。

選取典型民航案例中適合多元融合“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，作為教材知識(shí)點(diǎn)的拓展與升華。以川航5·14事件為典型案例，事件中，機(jī)組在高空中駕駛艙右座前風(fēng)擋玻璃破裂脫落的緊急狀態(tài)下，憑借過硬的素質(zhì)將飛機(jī)安全著陸。風(fēng)擋中安裝有導(dǎo)電加溫膜，通過加熱避免風(fēng)擋起霧結(jié)冰，WHC（Window Heat Computer，風(fēng)擋加溫計(jì)算機(jī)）對(duì)加溫膜進(jìn)行控制，并具有超溫監(jiān)控等功能，當(dāng)探測(cè)到溫度超過60攝氏度時(shí)，在間隔640ms確認(rèn)后，由安全繼電器切斷供電，并向SDAC（System Data Acquisition Conecntrator，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集集中器）和FWC（Flight Warning Computer，飛行警告計(jì)算機(jī)）發(fā)出信號(hào)，觸發(fā) 561000 L(R)WINDSHIELD故障代碼。

WHC的超溫探測(cè)功能，能夠用“數(shù)字電子技術(shù)”課程中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行抽象描述。如圖2所示，超溫信號(hào)觸發(fā)后，使得單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)入到暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間640ms，隨后恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)再次進(jìn)行溫度檢測(cè)，以判斷是否發(fā)生故障。

圖2 超溫報(bào)警觸發(fā)機(jī)制的抽象描述

（二）多元融合線的提煉

多元融合線是指將挖掘到的各個(gè)多元融合點(diǎn)，根據(jù)其相關(guān)性，將教材中的知識(shí)點(diǎn)與飛機(jī)系統(tǒng)或典型民航案例中的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系，并將虛擬仿真和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐貫穿其中，將“點(diǎn)”穿成“線”，進(jìn)行升華，提煉其中蘊(yùn)含的思想價(jià)值和精神內(nèi)涵。

例如，在進(jìn)行飛機(jī)維護(hù)操作時(shí)，需要斷開一些跳開關(guān)。不同機(jī)務(wù)人員完成不同任務(wù)時(shí)，可能都需要斷開同一跳開關(guān)，可以對(duì)這一跳開關(guān)進(jìn)行多個(gè)掛簽，這些掛簽間是“與”的邏輯，當(dāng)所有掛簽均被對(duì)應(yīng)的機(jī)務(wù)人員清除后，才能進(jìn)行跳開關(guān)的閉合操作，以防止出現(xiàn)人員傷亡或意外，這一原理體現(xiàn)了“與”邏輯的基本概念。

結(jié)合“與”邏輯的基本概念，開發(fā)對(duì)應(yīng)的虛擬仿真教學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)資源。虛擬仿真教學(xué)資源為“虛”，可以在Proteus、Multisim等虛擬仿真軟件中，采用邏輯芯片、電路或二極管實(shí)現(xiàn)等方式展示；實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)資源為“實(shí)”，采用真實(shí)電路進(jìn)行開發(fā)，虛實(shí)結(jié)合，二者互相補(bǔ)充，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的深入理解，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

The FIT is a non-invasive test that detects human hemoglobin in stool and represents an efficacious means of CRC screening. Compliance refers to the individual’s adherence to a recommended diagnostic or therapeutic procedure.

最后，將跳開關(guān)閉合的操作要求、“與”邏輯的概念、虛擬仿真教學(xué)資源、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)資源相聯(lián)系，構(gòu)成“與”邏輯的多元融合線。而機(jī)務(wù)維護(hù)時(shí)跳開關(guān)閉合的操作要求，體現(xiàn)了安全操作的科學(xué)精神，也體現(xiàn)了當(dāng)代民航精神中團(tuán)結(jié)協(xié)作的工作作風(fēng)。

在進(jìn)行多元融合線的提煉時(shí)，上述以單一知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行的提煉，稱為基本多元融合線。為了提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，還需要進(jìn)行綜合多元融合線的提煉，即將多個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合，設(shè)計(jì)相應(yīng)的虛擬仿真教學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)資源，并挖掘飛機(jī)系統(tǒng)或典型案例中的原理或相關(guān)內(nèi)容，提煉其思想價(jià)值和精神內(nèi)涵，構(gòu)建綜合多元融合線。

例如，甚高頻通信系統(tǒng)的調(diào)諧控制板，采用數(shù)碼管進(jìn)行頻率顯示，可將這一內(nèi)容與“數(shù)字電子技術(shù)”課程中的數(shù)碼顯示譯碼器內(nèi)容相聯(lián)系，并與串行移位寄存器聯(lián)合設(shè)計(jì)顯示驅(qū)動(dòng)電路，然后結(jié)合飛機(jī)調(diào)諧控制板的具體操作要求和設(shè)計(jì)原則，形成綜合多元融合線。

（三）多元融合面的展開

在挖掘多元融合點(diǎn)并構(gòu)建了多元融合線的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多元融合面的展開，設(shè)計(jì)多元融合的教學(xué)內(nèi)容（圖3）。

圖3 多元融合的教學(xué)設(shè)計(jì)

如圖3所示，通過理論教學(xué)講述基本知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行知識(shí)傳授；通過虛擬仿真和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行深入理解和應(yīng)用，進(jìn)行能力培養(yǎng)；通過研究知識(shí)點(diǎn)涉及的相關(guān)案例，弘揚(yáng)當(dāng)代民航精神和科學(xué)精神，進(jìn)行價(jià)值塑造。

針對(duì)不同的知識(shí)內(nèi)容，以及理論教學(xué)、虛擬仿真、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、案例研究等多種教學(xué)手段安排的先后順序和作用，依據(jù)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容本身的特征做出恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)設(shè)計(jì)，而不應(yīng)拘泥于一種固定的模式，甚至可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)時(shí)學(xué)生的反應(yīng)，動(dòng)態(tài)調(diào)整甚至重構(gòu)教學(xué)設(shè)計(jì)。

三、多元融合的教學(xué)實(shí)例

在飛機(jī)電子設(shè)備冷卻的基本原理中（如圖4所示），在設(shè)置主供氣風(fēng)扇的同時(shí)，還有備用供氣風(fēng)扇，二者為“或”的邏輯，因此，將這一來自飛機(jī)系統(tǒng)實(shí)例的多元融合點(diǎn)，與教材中的“或”邏輯知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系，并使用Proteus軟件開發(fā)對(duì)應(yīng)的虛擬仿真教學(xué)資源，以及開發(fā)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的“或”邏輯硬件PCB電路板，構(gòu)建多元融合線。

圖4 飛機(jī)電子設(shè)備冷卻的基本原理

對(duì)該多元融合線進(jìn)行挖掘提煉：通過“或”邏輯的基本概念，在飛機(jī)實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備冷卻時(shí)，采用主排氣風(fēng)扇和備用排氣風(fēng)扇組合的設(shè)計(jì)，以確保電子設(shè)備可靠冷卻的思路，體現(xiàn)了高可靠性設(shè)計(jì)的科學(xué)精神，也體現(xiàn)了當(dāng)代民航精神中嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的專業(yè)精神。

接著進(jìn)行多元融合面的展開。以“或”邏輯的教學(xué)講解設(shè)計(jì)為例，采用虛擬仿真的手段，使用電路開關(guān)并聯(lián)模型，讓學(xué)生對(duì)“或”邏輯有一個(gè)基本認(rèn)知；接著通過理論教學(xué)，講解“或”邏輯的表達(dá)方式；然后繼續(xù)通過虛擬仿真的方式，對(duì)“或”邏輯的“置1”功能進(jìn)行仿真演示，使學(xué)生深入理解“或”邏輯；采用實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，通過真實(shí)的74LS32芯片，使學(xué)生對(duì)實(shí)際中的“或門”有真實(shí)認(rèn)知，并通過操作電路板，加深對(duì)“或”邏輯的理解程度；最后與飛機(jī)電子設(shè)備冷卻原理相結(jié)合，說明“或”邏輯在實(shí)際中的應(yīng)用，并闡述高可靠性設(shè)計(jì)的科學(xué)精神內(nèi)涵，以及體現(xiàn)出的民航精神中嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的專業(yè)精神內(nèi)涵。

根據(jù)學(xué)生表現(xiàn)情況設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。如果大部分學(xué)生在高中時(shí)已經(jīng)對(duì)“或”邏輯有了入門的了解，且記憶深刻，則可以直接以飛機(jī)電子設(shè)備冷卻原理引入“或”邏輯，展開講解“或”邏輯在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，向?qū)W生傳遞高可靠性設(shè)計(jì)的科學(xué)精神，以及民航嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的專業(yè)精神，再通過理論教學(xué)、虛擬仿真、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)等方式展開課程。

在教學(xué)語言設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)多元融合教學(xué)資源的具體內(nèi)容對(duì)某一功能進(jìn)行講解，凝練教學(xué)語言。以“與”邏輯為例，除了基本概念外，“與”具有“置0”功能，即當(dāng)“與門”的一個(gè)輸入為0時(shí)，無論另一個(gè)輸入為1或是為0，輸出永遠(yuǎn)為0，可以用書面語言“守衛(wèi)”來描述這一現(xiàn)象，可以使用口語語言“看大門”進(jìn)行詼諧的記憶，也可以使用“一夫當(dāng)關(guān)，萬夫莫開”的詩(shī)詞語言，幫助學(xué)生進(jìn)行形象化的描述與記憶。

結(jié)語

基于中國(guó)民航大學(xué)電子信息工程專業(yè)的民航特色與“數(shù)字電子技術(shù)”的課程特點(diǎn)，將傳統(tǒng)的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐與虛擬仿真、案例研究等教學(xué)方法和手段相融合，將民航精神與科學(xué)精神的培養(yǎng)相融合，挖掘提煉“數(shù)字電子技術(shù)”課程中所蘊(yùn)含的思想價(jià)值和精神內(nèi)涵，從而增加課程教學(xué)設(shè)計(jì)的廣度、深度和溫度，進(jìn)而形成價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)為一體的多元融合課堂。

實(shí)踐表明，采用多元融合理念和方法進(jìn)行“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)，能夠提高學(xué)生正確認(rèn)識(shí)、分析和解決復(fù)雜工程問題的能力，并能夠強(qiáng)化學(xué)生工程倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)。