電子電路平臺課程的教學改革研究

黃麗亞，楊恒新，張業榮

（南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003）

在高等院校電子信息專業的整個教學環節中，“電路分析基礎”、“模擬電子技術”和“數字電路與邏輯設計”作為重要的學科基礎課，在人才培養和學生的知識構架中占有非常重要的地位［1］。

本文針對這三門課程，研究了培養學生創新能力的課程體系、教學內容和教學方法。課程是否適應當前學科發展水平和技術應用狀況是其教學改革研究的主要方向［2－4］。

1 教學體系改革

當前，大部分高等院校針對三門平臺課程實施的課程順序是：第三學期開設“電路分析基礎”，第四學期開設“模擬電子技術”（簡稱“模電”）和第五學期開設“數字電路與邏輯設計”（簡稱“數電”）。隨著基于數字電子技術的大量課程涌現，如嵌入式系統、DSP、IC設計和FPGA，“數電”已成為許多后續課程必不可少的選修課。由于該課程在第四、五學期開設導致余下的時間難于應付上述后續課程，而這些課程在當前電子信息技術中占據著越來越重要的地位。因此，部分院校將“數電”課程前移，采取了與“模電”在同一學期開設，甚至超前“模電”開設的方案。這樣，雖然為后續課程提供了足夠的時間，但在實驗實踐教學中卻帶來了另一些問題：由于“數電”的部分知識必須以“模電”為基礎，如邏輯門電路、半導體存儲器和脈沖信號發生電路等，因此基于此方案的教學內容需要進行較大幅度的調整。同時，學生進行“數電”硬件實驗時由于沒有模擬器件的概念，往往對驅動和接口等概念難以理解。經過多年的教學實踐，我院提出了一種新的體系結構如表1所示，可以較好地解決上述問題。

表1 電類平臺課程教學體系改革方案

新的課程體系既能保證合理的授課順序、同時電類平臺課程的及早開設，以及限選課的設置又有利于學生盡早地進入大學生課外科技活動，參與各項開放性實驗以及大學生電子設計競賽。新的課程體系中將“電路分析基礎”提前到一年級下學期，需要將“高等數學”和“復變函數”的教學內容進行調整，以適應“電路分析基礎”的教學。原來的“模電”在新的方案中分成兩部分完成，第一部分“模電I”在一年級下學期開設，教學內容主要是各種模擬器件，包括二極管、三極管和場效應管的特性和電路，之所以在后8周開設，是為了保證學生具備了與“模電”相關的電路分析基礎知識，有利于學生的理解和接受。二年級上學期完成“模電II”的教學內容，同時由于學生已經具備了模擬器件的知識，完全有能力進入“數電”的學習，因此新的教學體系結構將“數電”提前到二年級上學期開設，便于后續課程的盡早開設。

2 教學內容優化

我院針對“數字電路與邏輯設計”課程進行了教學內容的改革。刪除課程內容中繁、難和舊的內容，補充新的設計方法和設計理念。改革后的“數電”課程仍然采用64學時，基本內容和學時分配如下：數制與碼制3學時，邏輯代數基礎5學時，邏輯門電路2學時，組合邏輯電路7學時，觸發器3學時，時序邏輯電路14學時，D／A和A／D轉換3學時，半導體存儲器和可編程邏輯器件4學時，VHDL語言10學時，數字系統設計基礎12學時。可見與傳統的教學內容相比，增加了如下兩部分。

1）自頂向下的數字系統設計基礎

傳統電子電路教學基本上是面向簡單、分立電路以及簡單系統的。對系統設計更多的是一種經驗型設計，先考慮采用何種器件，然后設計外圍電路。而對于大規模電子系統的設計更多是一種自頂向下的設計理念，從抽象到具體的設計過程，與傳統的設計完全不同。數字系統設計基礎講述了數字系統概述、寄存器存器傳輸語言、ASM圖和數字系統設計舉例，讓學生掌握一種全新的設計理念。

2）VHDL語言、EDA工具進行復雜系統設計

在當前的數字技術中，EDA技術、VHDL以及Verilog等高級語言不斷完善，不同系統間兼容性不斷增強。因此，我們增加了10個學時的VHDL語言部分，介紹硬件描述語言的語法和特點，并將學習過的組合電路、觸發器和時序邏輯電路用VHDL語言進行描述實現，同時向學生介紹多種形式的仿真及時序設計、集成電路的自動測試、高速印刷電路板設計和多種工作平臺。

當然，由于課程數量和內容越來越多，我們應如何在有限的學時里，將基礎核心的內容傳授給學生是必須面對并設法解決的問題。針對“數電”的教學改革，我們采取了以下的措施。

（1）對繁、舊的教學內容進行了適當刪除

刪減內容包括：或與式的表達式、五變量卡諾圖、部分中規模組合電路的級聯擴展（包括：編碼器、譯碼器和數據選擇器）、譯碼器實現組合邏輯、主從觸發器和電容法消除冒險現象、觸發器的邏輯功能轉換和計數器的級聯擴展等。

（2）對傳統教學中特別強調內容進行弱化

如公式法或卡諾圖法化簡邏輯表達式在傳統教學中占據重要的地位，但到目前為止，邏輯表達式的化簡已全部由EDA軟件自動完成，學生只要掌握化簡原理即可。改革后的“數電”課程對邏輯化簡的技巧不再占用過多學時，考試也予以刪減。

（3）對課程基礎理論知識需加深和拓寬

如“數制與碼制”和“邏輯代數基礎”等基礎內容，以及“數字系統設計”的預備知識（如時序邏輯電路中狀態機的設計）要強化。

3 課堂教學方法、教學手段改革

作為實施創新教育的主渠道的課堂教學，我們注重以下兩點原則。

1）主體性原則

為了貫徹這一原則，一是要讓學生成為課堂教學的主人，二是讓課堂教學煥發出生命的活力。在教學中設置疑點，鼓勵學生在課堂中提出問題，共同討論。對某些章節提出要點與問題，作為自學內容，引導學生自學，進行獨立思考；并在后續課程中圍繞這些問題、知識點展開課堂討論。

2）開放式原則

為了達到課堂開放性原則，我們要求課堂教學在傳授解題思路時，教師要從多個角度，多種方法提供解題思路，不限定唯一答案；同時教師提出設計課題任務時，不限定學生使用何種器件，不規定設計方法，鼓勵學生大膽思維。設計出來的電路即便方法繁瑣，或有些缺陷，但只要能夠實現功能就要給予鼓勵。通過這樣的教學，學生的思路從原來只有一個正確答案的束縛思維，轉向多種模式的發散思維；同時我們要求教師對學生提出的各種方案進行總結、分類、消化和吸收，通過多年的積累和學習，教師的思維也在潛移默化中得到了擴展。

4 結語

本文研究了基于電子信息類專業的三門學科基礎課—“電路分析基礎”、“模擬電子技術”和“數字電路與邏輯設計”的教學改革，旨在提高教學質量，培養學生的創新能力。我們針對目前教學體系結構存在的問題，提出了一種新的體系結構；在教學內容方面，主要討論了教學內容的優化和調整，保證在有限的學時里，既增加適應學科發展的知識，又能將基礎核心的內容傳授給學生；在教學方法及手段方面，研究了具有主體性、開放性原則的課堂教學。這些改革方案和措施在我院部分實施。

［1］俎云霄，王衛東等.基于課程群的電子信息類專業基礎課教學改革［J］.北京：現代教育技術，2010，20（13）：34－36

［2］丁文霞，易凡.淺談高等院校電類專業引入EDA技術［J］.長沙：高等教育研究學報2001，24（2）：49－50

［3］莊麗君，劉少雪.美國研究型大學本科教育改革現狀及其個案研究［J］.北京：清華大學教育研究，2008，（2）：43－48

［4］李成剛.工科課程改革計劃與課程評估的范例－－美國Drexel大學個案研究［J］.武漢：高等工程教育研究，2006，（1）：80－82