新工科教育背景下“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

胡玉霞 邵 慧 金海紅 竇 艷

安徽建筑大學(xué)電子信息工程學(xué)院 安徽合肥 230601

1 概述

數(shù)字電子技術(shù)作為一門電子信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握數(shù)字電路的基本原理、分析設(shè)計方法、基本實(shí)驗(yàn)技能，并將所學(xué)專業(yè)知識用于解決實(shí)際工程問題，以培養(yǎng)學(xué)生未來能夠繼續(xù)深入學(xué)習(xí)和接受電子技術(shù)新發(fā)展的能力。

數(shù)字電子技術(shù)這門課具有公式多、電路多；邏輯性、工程性和實(shí)用性強(qiáng)；技術(shù)更新快等特點(diǎn)。學(xué)者們通過理論[1-4]或?qū)嵺`[5-7]方面對該課程進(jìn)行教學(xué)改革與實(shí)踐，取得良好的教學(xué)效果。但與“新工科”建設(shè)實(shí)用性和綜合性課程發(fā)展要求，以及高等教育教學(xué)倡導(dǎo)的“立德樹人”培養(yǎng)目標(biāo)仍存在一定差距。目前課程教學(xué)存在如下問題:

(1)學(xué)生課程目標(biāo)不夠清楚，對課程重視不夠；

(2)教學(xué)內(nèi)容主要講授專業(yè)基礎(chǔ)知識，很少融入課程思政教育；

(3)教學(xué)方法過于單一，難以激發(fā)學(xué)生課堂教學(xué)參與度和學(xué)習(xí)興趣；

(4)單純利用課堂教學(xué)，對抽象理論知識缺少直觀的感受；

(5)僅有理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生缺乏對復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和實(shí)現(xiàn)的能力。

因此，本文將針對上述問題對數(shù)字電路課程進(jìn)行改革與實(shí)踐。

2 重視緒論課的講授，讓學(xué)生了解課程的重要性

學(xué)生第一次接觸該課程，對課程的認(rèn)識比較模糊。教師在第一次緒論課時，首先讓學(xué)生認(rèn)識到數(shù)字電子技術(shù)課程在本專業(yè)培養(yǎng)方案的位置和課程目標(biāo)。當(dāng)介紹課程研究對象、課程任務(wù)和研究方法時，可以與模擬電子技術(shù)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行對比講解，加深學(xué)生對數(shù)字電子技術(shù)課程的認(rèn)識(如下表所示)，進(jìn)而說明該課程具有邏輯性和實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

數(shù)字電子技術(shù)與模擬電子技術(shù)課程特點(diǎn)對比表

介紹課程的教學(xué)內(nèi)容時，為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生列舉身邊常用數(shù)字系統(tǒng)，如計算機(jī)、手機(jī)和數(shù)字電視等電子產(chǎn)品，緊接著提出問題，這些數(shù)字系統(tǒng)與數(shù)字電路有什么關(guān)系？然后通過動畫視頻(最終展示如圖1所示)將一臺計算機(jī)不斷拆解，得到了計算機(jī)最底層邏輯電路。通過上述講授與演示，學(xué)生可以明白數(shù)字電子技術(shù)課程的主干內(nèi)容和理論體系的脈絡(luò)走向，整個課程是從晶體管→邏輯門電路→組合邏輯電路→時序邏輯電路→復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程?？傊?，認(rèn)真講好緒論課，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，根據(jù)課程特點(diǎn)幫助學(xué)生形成良好的學(xué)習(xí)方法，是實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的良好開端。

圖1 復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部分層拆解流程圖

3 在教學(xué)內(nèi)容中合理融入課程思政元素

為了實(shí)現(xiàn)高等教育教學(xué)提出的“立德樹人”培養(yǎng)目標(biāo)，在講授課程相關(guān)知識時，合理引入思想政治教育。如在講授電子技術(shù)發(fā)展歷程時，學(xué)生認(rèn)識到隨著時間的發(fā)展，電子電路呈現(xiàn)集成度高增長趨勢(如圖2所示)，出現(xiàn)了集成電路，為了適用集成電路所需要的復(fù)雜電路功能，產(chǎn)生了一種新技術(shù)EDA(Electronic Design Automation)。因此，這部分知識介紹使學(xué)生認(rèn)識到在學(xué)習(xí)這門課時，可以通過理論學(xué)習(xí)掌握數(shù)字電路的基本分析和設(shè)計方法，但在完成復(fù)雜數(shù)字電路分析與設(shè)計時，需要借助EDA等輔助工具，同時讓學(xué)生懂得發(fā)展史背后科學(xué)家們不斷創(chuàng)新、勇于追求真理的科學(xué)精神，并體現(xiàn)科技對社會發(fā)展作出的貢獻(xiàn)，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)同感和社會責(zé)任感。

在“邏輯代數(shù)卡諾圖化簡”教學(xué)中，在驗(yàn)證學(xué)生學(xué)習(xí)效果時，給出一個表達(dá)式，讓同學(xué)們各自利用卡諾圖進(jìn)行化簡結(jié)果展示(如圖3所示)，得出“同一個邏輯表達(dá)式，采用卡諾圖化簡，其化簡結(jié)果不唯一”的結(jié)論。通過該例題引導(dǎo)學(xué)生明白盡管解題答案不一樣，但得出結(jié)論都是合理的。因此讓學(xué)生樹立信心，獨(dú)立自主地完成老師布置的任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生求真務(wù)實(shí)的品質(zhì)。

圖2 1975—2010年份硅晶片上晶體管數(shù)量變化 圖3 邏輯代數(shù)卡諾圖化簡結(jié)果對比

課程思政教育作為今后高校教育教學(xué)的重要組成部分，它對培養(yǎng)學(xué)生專心致志、誠實(shí)守信和追求真理等優(yōu)秀品質(zhì)和實(shí)踐創(chuàng)新能力具有重要意義。因此，作為一線的教師，后續(xù)課程教學(xué)中將不斷增加合理思政元素，使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的同時明白做人做事的道理。

4 采用線上線下混合式教學(xué)—考核方式

課堂教學(xué)的學(xué)習(xí)軟件(騰訊會議、學(xué)習(xí)通、雨課堂和學(xué)堂在線等)不斷涌現(xiàn)，為高校教師提供了更多的教學(xué)方法。課堂教學(xué)中，為了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，教師教學(xué)中借助學(xué)習(xí)軟件的一些功能(考勤簽到、資料共享、作業(yè)批改、課堂互動、視頻發(fā)布等)，達(dá)到節(jié)省學(xué)生課堂時間，提高學(xué)習(xí)效率的目的。如講解“數(shù)電”中不同進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換問題，首先采用PPT或黑板板書將知識直觀傳授給學(xué)生，然后利用學(xué)習(xí)通等軟件發(fā)布與之相關(guān)的選擇題，學(xué)生現(xiàn)場解答，教師通過學(xué)習(xí)通能夠看到該題解答準(zhǔn)確率，了解全班學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況，進(jìn)而調(diào)整教學(xué)進(jìn)度，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)于課程考核，“數(shù)字電路技術(shù)”考核分為平時成績和期末成績，平時成績占有一定比重，包含課堂互動、過程測試、仿真演示等多個環(huán)節(jié)，避免出現(xiàn)“一次期末考試論成敗”的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)“數(shù)字電路技術(shù)”考核全面性、合理性。例如，講完組合電路設(shè)計后，為督促學(xué)生及時復(fù)習(xí)學(xué)習(xí)過的知識，增加章節(jié)測試，利用教育軟件(學(xué)習(xí)通)創(chuàng)建試題庫，課堂臨時測驗(yàn)，要求學(xué)生需在規(guī)定時間內(nèi)完成答題，測試完系統(tǒng)批閱客觀題，教師批閱主觀題，并針對測驗(yàn)結(jié)果給學(xué)生講解分析?？傊寣W(xué)生意識到學(xué)好“數(shù)字電路技術(shù)”這門課，不是通過期末“一套試卷”的測試就可以完成，它需要課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)研討和過程測試等多個環(huán)節(jié)的參與才能達(dá)到。

5 引入仿真軟件輔助課堂教學(xué)

為了加深學(xué)生對數(shù)字電路功能的了解，引入MATLAB/Simulink[8]、Multisim等軟件輔助教學(xué)，形成直觀可視化教學(xué)。以“組合邏輯電路和時序邏輯電路分析與設(shè)計”為例，可以用Multisim軟件來進(jìn)行仿真和演示。

組合邏輯電路分析步驟：組合邏輯電路→邏輯表達(dá)式→最簡表達(dá)式→真值表→確定電路功能。教師上課僅理論講解，學(xué)生可能覺得枯燥無味。下面利用Multisim軟件實(shí)現(xiàn)上述過程：打開軟件，畫好需分析的電路圖，在虛擬儀器列表中找到邏輯轉(zhuǎn)換器，將電路圖的輸入、輸出端連接到邏輯轉(zhuǎn)換器的引腳，得到組合邏輯電路；打開邏輯分析儀，利用儀器上功能按鈕得到真值表、邏輯表達(dá)式(最簡式)，進(jìn)而確定其電路功能(如圖4所示)。

圖4 數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成組合電路的仿真演示圖

圖5是74LS160(十進(jìn)制同步計算器)設(shè)計六進(jìn)制計算器的仿真電路圖?？梢钥闯觯瑘D中數(shù)碼管數(shù)字動態(tài)從0變化到5，當(dāng)數(shù)碼管記到5時，又返回到0。仿真結(jié)果直觀顯示出六進(jìn)制計算器，加深學(xué)生對任意進(jìn)制計算器設(shè)計方法的理解，該軟件同樣可以對復(fù)雜數(shù)字電路進(jìn)行仿真演示[10]?？梢姡抡孳浖o助課堂教學(xué)的同時可以幫助學(xué)生更好地理解數(shù)字電路專業(yè)知識，并激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

圖5 六進(jìn)制計算器仿真電路圖

結(jié)語

本文對新工科背景下的數(shù)字電子技術(shù)課程進(jìn)行教學(xué)改革，將教學(xué)內(nèi)容融入課程思政元素的教學(xué)設(shè)計，采用線上線下相融合教學(xué)手段，通過仿真軟件對課堂講解電路進(jìn)行仿真演示，并建立理論、實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計相結(jié)合課程體系，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才。目前，該課程教學(xué)改革已初現(xiàn)成效，一方面，與教學(xué)改革前相比，學(xué)生課堂參與度明顯提高，平時成績和期末成績都比未實(shí)施改革前的成績有了明顯提高；另一方面，課程結(jié)束后，學(xué)生對教師進(jìn)行學(xué)評教的分值也有一定上升，促進(jìn)了教師教學(xué)水平的提高，使得教與學(xué)形成良性循環(huán)。未來本課題組將進(jìn)一步對數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)規(guī)范化，以期形成一套完整的教學(xué)方法。