◆徐天賀 劉金金 王亞茹 朱夢超

關(guān)于數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)的教學(xué)研究*

◆徐天賀 劉金金 王亞茹 朱夢超

為使學(xué)生更好地掌握數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)知識，分析傳統(tǒng)數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)現(xiàn)狀，在現(xiàn)代科技發(fā)展的大背景中，進(jìn)行仔細(xì)研究分析，將現(xiàn)實(shí)教學(xué)中存在的問題一一列舉出來，并且提出相應(yīng)的可實(shí)行的新技術(shù)教學(xué)方法。

數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)；實(shí)驗教學(xué)；仿真技術(shù)

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.14.077

1　前言

數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)課程是一門介紹門電路、數(shù)字電路的邏輯分析、組合邏輯電路、時序邏輯電路及脈沖波形的產(chǎn)生和整形的學(xué)科。其涉及的集成電路主要有編碼器、譯碼器、加法器、寄存器和計數(shù)器等［1］。數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)課程的性質(zhì)是“電子技術(shù)方面入門性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課”，其任務(wù)在于使學(xué)生獲得數(shù)字電子技術(shù)方面的基本知識、基本理論和基本技能，能為學(xué)生全面掌握各種基本電路，進(jìn)而為繼續(xù)深入學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)以及在專業(yè)中的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)不斷地發(fā)展進(jìn)步，數(shù)字電路教學(xué)已經(jīng)被引入大多數(shù)高校的計算機(jī)輔助教學(xué)中。計算機(jī)信息工程專業(yè)的數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)重點(diǎn)是讓學(xué)生能夠很好地理解邏輯電路并且進(jìn)行分析，讓學(xué)生能在實(shí)際生活中應(yīng)用數(shù)字電路的邏輯與設(shè)計功能。

同時，它是一門實(shí)踐和操作性比較強(qiáng)的課程，直接影響計算機(jī)專業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，如計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)、微機(jī)原理與接口技術(shù)等。而在數(shù)字電路的操作實(shí)驗設(shè)計這一方面存在不同的方法，目前大多高校用的是小規(guī)模和中規(guī)模集成電路的實(shí)驗箱進(jìn)行驗證實(shí)驗。但是，隨著大規(guī)模集成電路邏輯器件的出現(xiàn)，實(shí)際生活中現(xiàn)代數(shù)字電路系統(tǒng)的操作實(shí)驗設(shè)計要求也越來越高。因此，為了使學(xué)生更好地掌握數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)知識，并且能夠很好地完成數(shù)字電路的操作實(shí)驗，進(jìn)行數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革十分必要。

2　目前存在的問題

教學(xué)形式單一 在校教師大多采取傳統(tǒng)的教學(xué)模式。在之前的傳統(tǒng)教學(xué)過程中，教師在黑板上直接板書，并且繪制電路設(shè)計圖，這種方法十分麻煩，不僅浪費(fèi)時間，還不能讓學(xué)生直觀地接觸電路設(shè)計，教學(xué)效果不是特別理想。目前，雖然大多數(shù)教師采用PowerPoint進(jìn)行授課，這種授課形式在一定程度上增強(qiáng)了教學(xué)效果，提高了講課效率，讓學(xué)生可以大致了解數(shù)字電路基礎(chǔ)，但是PowerPoint課件教課仍然達(dá)不到數(shù)字電路這門課程的高教學(xué)要求。因為這是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的技術(shù)科學(xué)課程，教師在平時的教學(xué)中采用PowerPoint只能滿足針對學(xué)生的理論教學(xué)［2］。教師達(dá)到課本的理論層面教學(xué)，學(xué)生可以聽懂課堂上所講解的內(nèi)容，但是并不能很好地將其應(yīng)用到驗證實(shí)踐中。

并且傳統(tǒng)教學(xué)中，教師的電路實(shí)驗設(shè)計教學(xué)一般遵循由低向上的設(shè)計方法，這樣就限制了學(xué)生對實(shí)驗方法的認(rèn)知，也限制了學(xué)生的實(shí)驗創(chuàng)新設(shè)計思路，導(dǎo)致學(xué)生的認(rèn)知停留在中小集成電路器件上，限制了學(xué)生對復(fù)雜電路設(shè)計的思路以及設(shè)計創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

學(xué)生自身限制

1）理解程度限制。大多數(shù)學(xué)生都是初次接觸數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)課程，數(shù)字電路涉及計算機(jī)的其他知識，如數(shù)制和碼制，這些知識都是計算機(jī)基礎(chǔ)學(xué)科中的知識，教師會一帶而過，有些學(xué)生基礎(chǔ)沒打牢固，難免會出現(xiàn)問題。當(dāng)學(xué)生聽不懂教師所講的某些難以理解的內(nèi)容時，他們便會覺得課堂無趣，無法集中注意力。一旦有這種情況出現(xiàn)，那么這位學(xué)生在以后的課程中便會喪失興趣，以后再想跟上教師的課程進(jìn)度，就會更加困難，如此便形成一種惡性循環(huán)。

2）沒有嚴(yán)密的邏輯思維。學(xué)生在課堂上能聽懂教師的講課內(nèi)容，但是課后作業(yè)不知從何下手，沒有做到及時理解消化課堂知識，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到教學(xué)要求。

3）動手實(shí)驗?zāi)芰Σ?。一部分學(xué)生的課堂理論理解非常到位，理論基礎(chǔ)也非常牢固，但是動手能力不能同步，實(shí)驗課上往往不知怎么進(jìn)行連線，理論不能應(yīng)用到實(shí)踐上是沒有成果的。

實(shí)驗環(huán)節(jié)受限 實(shí)驗環(huán)節(jié)基本是在實(shí)驗箱上進(jìn)行的，而大多高校的實(shí)驗箱設(shè)備都是有一定局限性的。學(xué)生在實(shí)驗室進(jìn)行的實(shí)驗一般都是課本上較為簡單明了的，簡單的實(shí)驗可以在傳統(tǒng)的中小規(guī)模集成電路的實(shí)驗箱上完成。而復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)則需要大量的芯片和連線，中小型實(shí)驗箱無法完成。受到實(shí)驗條件的限制，大多數(shù)學(xué)生不能進(jìn)行更深層次的實(shí)驗，他們的實(shí)驗?zāi)芰Φ貌坏礁玫呐囵B(yǎng)和鍛煉。教師在課堂上強(qiáng)調(diào)課程的基礎(chǔ)理論性，過于注重基本原理和設(shè)計的一些推導(dǎo)過程，而對于驗證實(shí)驗這一環(huán)節(jié)，大多數(shù)教師沒有給予應(yīng)有的重視。在實(shí)驗課堂上，實(shí)驗器材數(shù)量有限，并且器材很容易被毀壞，教師會嚴(yán)格要求學(xué)生在實(shí)驗過程中連線的準(zhǔn)確性，因此，很多學(xué)生不敢輕易動手做實(shí)驗。

3　教學(xué)改進(jìn)方法

教學(xué)模式的改進(jìn) 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路原有的教學(xué)模式已經(jīng)不再適應(yīng)現(xiàn)在應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，教學(xué)要融入新的技術(shù)方法，突破傳統(tǒng)教學(xué)模式，如引入EDA技術(shù)或者M(jìn)ATLAB/Simulink仿真技術(shù)。MATLAB/Simulink采用直觀的圖形化形式進(jìn)行電路圖輸入，界面友好，操作方便，簡單易學(xué)［3］。

以引入EDA技術(shù)詳細(xì)舉例。EDA是Electronic Design Automatic的簡稱。EDA技術(shù)涉及面廣，內(nèi)容豐富，從教學(xué)和實(shí)用的層面上，主要有以下四大要素：

1）大規(guī)模可編程邏輯器件；

2）硬件描述語言；

3）軟件開發(fā)工具；

4）實(shí)驗開發(fā)系統(tǒng)［4］。

將EDA軟件應(yīng)用在設(shè)計、仿真實(shí)驗課題上，進(jìn)行形象直接的虛擬實(shí)驗，可以使學(xué)生在進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗之前就了解實(shí)驗內(nèi)容、熟悉實(shí)驗步驟過程。這樣在做實(shí)驗時，可以降低許多設(shè)計型實(shí)驗的難度，同時能節(jié)約時間，讓學(xué)生做不同的實(shí)驗，探討更深層次的數(shù)字電路實(shí)驗問題，從而提高實(shí)驗效率，加強(qiáng)和鍛煉學(xué)生動手設(shè)計實(shí)驗的能力。因此，將EDA仿真軟件應(yīng)用到數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中，是一種教學(xué)手段的創(chuàng)新，同時也提高了數(shù)字電路的實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量。

變被動為主動，驅(qū)動教學(xué) 教師要采用先進(jìn)有趣的教學(xué)模式，激發(fā)出學(xué)生的課堂興趣。讓學(xué)生的態(tài)度轉(zhuǎn)變，由教師逼著學(xué)習(xí)到學(xué)生自主學(xué)習(xí)。了解學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，培養(yǎng)新時代需要的新型技術(shù)人才，而不是只教給學(xué)生理論，應(yīng)該把理論與實(shí)踐相結(jié)合。除了課程學(xué)習(xí)以外，教師需要給學(xué)生布置相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。教師在教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)變觀念，充當(dāng)課程的設(shè)計者、學(xué)生的引導(dǎo)者。教師布置的每一項任務(wù)都要經(jīng)過精心的設(shè)計，能夠較全面地考查學(xué)生對知識的掌握程度，難易得當(dāng)，并對任務(wù)進(jìn)行必要的提示，以免學(xué)生在操作過程中出現(xiàn)無從著手的情況，而挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

分階段實(shí)驗教學(xué)設(shè)計 為了達(dá)到良好的實(shí)驗效果，在此采用分階段的實(shí)驗教學(xué)方法，該方法將實(shí)驗教學(xué)過程分為三部分：實(shí)驗前輔導(dǎo)、實(shí)驗過程中以及實(shí)驗成果驗收。

實(shí)驗前輔導(dǎo)，在進(jìn)行實(shí)驗之前，教師會對實(shí)驗內(nèi)容進(jìn)行講解，學(xué)生能更進(jìn)一步地理解實(shí)驗原理。并且教師會給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗演示，一邊演示一邊講解，讓學(xué)生清楚實(shí)驗步驟和實(shí)驗過程，有助于學(xué)生自己動手。

實(shí)驗過程中，讓學(xué)生組成團(tuán)隊小組進(jìn)行實(shí)驗，在實(shí)驗過程中小組成員可以相互探討研究，相互借鑒長處，能調(diào)動學(xué)生的積極性，發(fā)揮學(xué)生的最大能力。同時，教師要在旁邊悉心指導(dǎo)，指出學(xué)生實(shí)驗過程中存在的優(yōu)點(diǎn)與不足，提高學(xué)生對知識的理解和重點(diǎn)的掌握。

實(shí)驗成果驗收，學(xué)生在完成任務(wù)后，要對完成的情況進(jìn)行檢查，并要求對實(shí)驗的結(jié)果進(jìn)行展示，檢查實(shí)驗結(jié)果的正確性，提出問題讓學(xué)生及時改正，給予一定的表揚(yáng)，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。布置相應(yīng)的作業(yè)，讓學(xué)生就實(shí)驗課進(jìn)行總結(jié)，按照團(tuán)隊小組上交實(shí)驗報告。

4　總結(jié)

數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)是計算機(jī)專業(yè)的一門重要課程，通過仔細(xì)研究分析，提出存在的問題，及時探討改正，并提出不同的教學(xué)創(chuàng)新方法。數(shù)字電路的教學(xué)改革能很好地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程，鍛煉學(xué)生的實(shí)驗設(shè)計和動手能力，也能幫助學(xué)生熟悉先進(jìn)的電路設(shè)計軟件，掌握先進(jìn)的技術(shù)和方法。實(shí)驗效果表明，數(shù)字電路教學(xué)改革激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的實(shí)驗?zāi)芰?，在掌握課程學(xué)習(xí)和實(shí)驗驗證等方面都起到良好的促進(jìn)作用?！?/p>

［1］畢春躍，萬忠，孫榮高，等.基于EDA技術(shù)的數(shù)字電路教學(xué)研究［J］.計算機(jī)教育，2011（9）：89-92.

［2］李興山.EDA在數(shù)字電路教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2006（12）：73-74，79.

［3］彭晗，林永和，楊奕琦.MATLAB/Simulink仿真技術(shù)在模擬與數(shù)字電路教學(xué)中的應(yīng)用［J］.計算機(jī)時代，2010（10）：69-71.

［4］劉曉靜.EDA技術(shù)及其應(yīng)用［J］.咸寧學(xué)院學(xué)報，2006（6）：84-85.

Teaching Research about Digital Circuit Technology

//XU Tianhe，LIU Jinjin， WANG Yaru， Zhu Mengchao

To better equip students with the basics of digital circuit technology， this paper reviews the status quo of the traditional teaching of this technology， enumerates and analyses its existing problems， and proposes， accordingly， some feasible new teaching methods in the context of modern technology development.

basics of digital circuit technology； experiment teaching；simulation technology

G652

B

1671-489X（2016）14-0077-02

*本文受國家自然科學(xué)基金項目（Nos.61370169，61402153，60873104）、河南省科技攻關(guān)重點(diǎn)項目（No.142102210056）、新鄉(xiāng)市重點(diǎn)科技攻關(guān)計劃項目（No.ZG13004）資助。

作者：徐天賀，河南師范大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院助教，研究方向為粒計算、生物信息學(xué)；劉金金、王亞茹、朱夢超，河南師范大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院（453007）。