數(shù)字電路教學(xué)過程中的問題研究與對策

戴毓虎，何 展，望 超

（1.武漢工程科技學(xué)院 湖北 武漢 430200；2.成繹半導(dǎo)體（蘇州）有限公司 四川 成都 610110）

數(shù)字電路課程已經(jīng)成為高校工科電氣電子類和計(jì)算機(jī)類專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程[1]，本文以武漢工程科技學(xué)院為例，通過分析該校電子信息工程技術(shù)專業(yè)師生在數(shù)字電路教學(xué)過程中所發(fā)現(xiàn)的問題，思考了數(shù)字電路教學(xué)過程中教學(xué)方法的改進(jìn)對策。

1 目前數(shù)字電路教學(xué)過程中存在的問題

電子信息工程技術(shù)為武漢工程科技學(xué)院的專科專業(yè)，學(xué)生的生源為各省市自治區(qū)的高考末端分?jǐn)?shù)考生，課程安排在大一的下學(xué)期進(jìn)行，實(shí)際教學(xué)過程中會存在以下問題：

①大部分學(xué)生的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)弱，而且有部分學(xué)生在中學(xué)階段屬于文科考生，在高中階段缺乏應(yīng)有的理工科素養(yǎng)，對課程中最基礎(chǔ)的邏輯代數(shù)公式定理的理解與證明存在較大問題。學(xué)生的基礎(chǔ)不同是必須考慮的問題，課堂上有15%的學(xué)生能理解消化，其余的基礎(chǔ)能力偏低。

對全校2022 級電子信息工程技術(shù)202 名學(xué)生做了匿名抽樣調(diào)查，統(tǒng)計(jì)了53 名學(xué)生2022 年高考的數(shù)學(xué)和物理分?jǐn)?shù)。其中數(shù)學(xué)最高分為100 分，有5 位學(xué)生物理分?jǐn)?shù)因高考選考了歷史為0 分。分析如圖1 所示的學(xué)生高考數(shù)學(xué)物理分?jǐn)?shù)隨機(jī)抽樣散點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，可知數(shù)學(xué)物理絕對分值集中在20―60 分之間，所占比例超過84.9%。

圖1 學(xué)生高考數(shù)學(xué)物理分?jǐn)?shù)隨機(jī)抽樣散點(diǎn)圖

②課程教材選擇需要精挑細(xì)選。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)《數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)》這本教材中內(nèi)容和編輯有幾處紕漏，影響了教材的參考作用。另外，需要挑選更貼近學(xué)校教學(xué)實(shí)際，調(diào)動學(xué)生積極性的教材，數(shù)字電路課程近8 個學(xué)期選用教材如表1 所示。

表1 數(shù)字電路課程近8 個學(xué)期選用的教材

③學(xué)生學(xué)習(xí)過程中有畏難心理，同時缺少主動學(xué)習(xí)意愿。因?yàn)楸旧砘A(chǔ)弱，聽不懂課堂上教師的教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)而產(chǎn)生畏難心理，如此往復(fù)，課程的學(xué)習(xí)就會越來越難。大多學(xué)生認(rèn)為自己上大學(xué)是為了獲得一紙文憑、及格即可，沒有終身學(xué)習(xí)、熱愛學(xué)習(xí)的認(rèn)知和意愿。誤認(rèn)為學(xué)校層次不高、學(xué)風(fēng)不好，所以自暴自棄。教師的思政案例往往也屬于國家和社會層面的優(yōu)秀案例，學(xué)生覺得離自己很遙遠(yuǎn)，難有共情效應(yīng)與激勵。

④學(xué)生的綜合能力難以提升。本課程的考核方式是以閉卷考試為主，卷面成績占60%，平時成績占40%，然而實(shí)驗(yàn)課成績僅占平時成績的50%，且實(shí)驗(yàn)報告只占實(shí)驗(yàn)成績的50%。實(shí)驗(yàn)最終成了考試的輔助甚至配角，導(dǎo)致學(xué)生根本不會基本操作，出現(xiàn)理論不會、動手也不會的情況，日后難以適應(yīng)用人單位的要求。

⑤教學(xué)方法不適應(yīng)新時代大學(xué)生的發(fā)展。課堂都是常規(guī)的教室布局，教師在講臺上講，學(xué)生在底下聽，教師點(diǎn)名回答問題然后講解。學(xué)生少有良好互動，整體上難以積極投入教學(xué)中。

⑥學(xué)生在不同課程學(xué)習(xí)之間沒有關(guān)聯(lián)能力，部分學(xué)生學(xué)完電路基礎(chǔ)在數(shù)字電路的課堂上就不知道有元件約束、拓?fù)浼s束，使專業(yè)學(xué)習(xí)成為碎片記憶，不能連點(diǎn)成線。

⑦學(xué)生缺少對教材經(jīng)典理論的深刻理解，不滿足用人單位的需求，實(shí)踐認(rèn)知方面缺少近距離接觸半導(dǎo)體企業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)流程的機(jī)會。企業(yè)一般對數(shù)電基礎(chǔ)要求不高，只需要學(xué)生對數(shù)電有本質(zhì)的了解即可，但往往學(xué)生連最基礎(chǔ)的知識都沒有掌握好。不了解數(shù)字電路是什么，不知道數(shù)字信號跟模擬信號的區(qū)別以及如何跟模擬系統(tǒng)互相交互。

2 未來數(shù)字電路教學(xué)方法的改進(jìn)

①因材施教，分組教學(xué)。統(tǒng)計(jì)學(xué)生的高考數(shù)學(xué)物理成績，按從高到低做排序，按排序?qū)⒏靼嗤瑢W(xué)分成1、2、3 組，對每組的課堂學(xué)習(xí)任務(wù)做細(xì)分說明，課后作業(yè)做細(xì)分，從而實(shí)現(xiàn)分層教學(xué)的目的。課程實(shí)驗(yàn)課的實(shí)驗(yàn)部分每次分為3―4 階段實(shí)驗(yàn)，從基礎(chǔ)到綜合。每次當(dāng)堂檢查實(shí)驗(yàn)情況判分時，會根據(jù)學(xué)生掌握的情況，對應(yīng)檢查不同難度的實(shí)驗(yàn)并跟學(xué)生溝通有無。

②加大對學(xué)生組合邏輯電路的獨(dú)立分析與設(shè)計(jì)能力的要求，力爭分組1、2 的學(xué)生能消化吸收基本的時序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)。不局限于教材，把教材作為參考書。近年來，教育部向全國高校推出了不少在線學(xué)習(xí)平臺[3]，當(dāng)學(xué)生課后在這些平臺遇到比較好的知識點(diǎn)講解和實(shí)例時認(rèn)真學(xué)習(xí)記錄，然后在課堂上與師生分享。

③正向積極引導(dǎo)。按照中央和教育部精神深入開展課程思政，提升學(xué)生的主人翁意識，進(jìn)而養(yǎng)成能吃苦、愛學(xué)習(xí)、求進(jìn)步的品質(zhì)。

每次課在講完實(shí)驗(yàn)原理開始實(shí)驗(yàn)前，要求每小組在教室現(xiàn)有的試驗(yàn)箱內(nèi)清理74 系列芯片，將找齊芯片元器件速度在前五的組記錄到實(shí)驗(yàn)報告上，作為加分依據(jù)。以此強(qiáng)化學(xué)生節(jié)約資源、“艱苦”學(xué)習(xí)的意識。與此同時，也能加深學(xué)生對元器件的認(rèn)知印象。

④改變應(yīng)試教育的評價觀，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)過程中，鼓勵學(xué)生多提問題，多重復(fù)課程體系難點(diǎn)中的銜接點(diǎn)，比如算術(shù)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算的聯(lián)系與區(qū)別、邏輯函數(shù)的代數(shù)法化簡與卡諾圖化簡的異同、基本邏輯門是組合邏輯電路的必有元器件、觸發(fā)器是時序邏輯電路的必有元器件等。重視新知識點(diǎn)的承前啟后，讓學(xué)生體會到知識的溫度。鼓勵學(xué)生的參與，培養(yǎng)學(xué)生積極進(jìn)取的意識，讓學(xué)生通過不懈追求實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路知識以及綜合能力提升。

⑤在實(shí)驗(yàn)課堂上實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的升華，做到以學(xué)生為主。教師在實(shí)驗(yàn)課上就實(shí)驗(yàn)原理、目的，實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備、元器件做重點(diǎn)講解[4]，然后學(xué)生以2 人為1 組開始實(shí)驗(yàn)，針對學(xué)生具體的實(shí)驗(yàn)想象與問題分組交流和解答。當(dāng)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，要求其能講清楚原理。同時鼓勵前3 組做出來的學(xué)生作為課堂助教去指導(dǎo)不會做的學(xué)生，以期達(dá)到朋輩引領(lǐng)的效果。

⑥升華不同電子信息專業(yè)課程之間的彼此聯(lián)系，打通學(xué)生專業(yè)課學(xué)習(xí)的“任督二脈”，使得學(xué)生在電路分析基礎(chǔ)、模擬電路、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)、單片機(jī)等課程的學(xué)習(xí)中積極融合專業(yè)認(rèn)知[5]，養(yǎng)成基本的專業(yè)素養(yǎng)。

⑦加強(qiáng)與成繹半導(dǎo)體（蘇州）有限公司的技術(shù)交流，推薦低年級感興趣的學(xué)生在校學(xué)習(xí)和使用成繹半導(dǎo)體的產(chǎn)品方案，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐能力的提升。后期鼓勵理解透徹的學(xué)生去做研發(fā)助理。另外，也可將企業(yè)在項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)中對學(xué)生素質(zhì)的要求帶入課堂教學(xué)。舉例來說，成繹半導(dǎo)體公司的研發(fā)負(fù)責(zé)人反饋實(shí)戰(zhàn)中新進(jìn)應(yīng)屆畢業(yè)生在數(shù)字電路認(rèn)知上的一些問題：a.雖然數(shù)字信號是以布爾代數(shù)作為基礎(chǔ)，但它不是憑空來的，其實(shí)它就是特殊模擬信號。b.時序邏輯的時鐘起什么作用？模擬振蕩器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路對檢測到的信號進(jìn)行采樣。c. 講到觸發(fā)器大家都會看到CLK（時鐘脈沖），其實(shí)際上是模擬震蕩器產(chǎn)生的。d.關(guān)于Setup 和Hold 時間，一般集成電路先會功能仿真，然后就要用這兩個參數(shù)進(jìn)行時序仿真。e.觸發(fā)器上升沿觸發(fā)，實(shí)際器件都不是理想的，需要在上升沿的位置保證觸發(fā)器輸入信號提前到來，然后在上升沿之后還要保持一段時間。f.項(xiàng)目實(shí)踐中，組合邏輯可能有毛刺，這種情況要知道原因，同時也需要判斷是否會有功能的影響，這個毛刺對功能沒影響就不用處理。成繹半導(dǎo)體的某一項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)中就出現(xiàn)輸出信號波形的毛刺只出現(xiàn)在觸發(fā)器時鐘不起作用的階段，沒做處理，絲毫不影響產(chǎn)品性能。

3 結(jié)語

本文針對武漢工程科技學(xué)院師生在數(shù)字電路教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行研究，做了對應(yīng)的思考與教學(xué)實(shí)踐，取得初步的教學(xué)成效。后期會繼續(xù)深挖電子信息工程專業(yè)課堂中的教學(xué)研究點(diǎn)，并思考改進(jìn)對策。期望做到對學(xué)生因材施教，使課堂教學(xué)內(nèi)容既基礎(chǔ)又經(jīng)典，選用更生動、更貼近學(xué)生的教材，更好地融入思政元素，在專業(yè)領(lǐng)域樹立學(xué)生能吃苦、愛學(xué)習(xí)、求進(jìn)步的學(xué)習(xí)品質(zhì)。