關于數字電路技術基礎的教學研究*

◆徐天賀 劉金金 王亞茹 朱夢超

關于數字電路技術基礎的教學研究*

◆徐天賀 劉金金 王亞茹 朱夢超

為使學生更好地掌握數字電路技術基礎知識，分析傳統數字電路技術基礎教學現狀，在現代科技發展的大背景中，進行仔細研究分析，將現實教學中存在的問題一一列舉出來，并且提出相應的可實行的新技術教學方法。

數字電路技術基礎；實驗教學；仿真技術

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

1　前言

數字電路技術基礎課程是一門介紹門電路、數字電路的邏輯分析、組合邏輯電路、時序邏輯電路及脈沖波形的產生和整形的學科。其涉及的集成電路主要有編碼器、譯碼器、加法器、寄存器和計數器等［1］。數字電路技術基礎課程的性質是“電子技術方面入門性質的技術基礎課”，其任務在于使學生獲得數字電子技術方面的基本知識、基本理論和基本技能，能為學生全面掌握各種基本電路，進而為繼續深入學習數字電子技術以及在專業中的應用打下良好的基礎。

隨著計算機科學技術不斷地發展進步，數字電路教學已經被引入大多數高校的計算機輔助教學中。計算機信息工程專業的數字電路技術基礎課程，其教學重點是讓學生能夠很好地理解邏輯電路并且進行分析，讓學生能在實際生活中應用數字電路的邏輯與設計功能。

同時，它是一門實踐和操作性比較強的課程，直接影響計算機專業后續課程的學習，如計算機組成與結構、微機原理與接口技術等。而在數字電路的操作實驗設計這一方面存在不同的方法，目前大多高校用的是小規模和中規模集成電路的實驗箱進行驗證實驗。但是，隨著大規模集成電路邏輯器件的出現，實際生活中現代數字電路系統的操作實驗設計要求也越來越高。因此，為了使學生更好地掌握數字電路技術基礎知識，并且能夠很好地完成數字電路的操作實驗，進行數字電路技術基礎課程的教學改革十分必要。

2　目前存在的問題

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

并且傳統教學中，教師的電路實驗設計教學一般遵循由低向上的設計方法，這樣就限制了學生對實驗方法的認知，也限制了學生的實驗創新設計思路，導致學生的認知停留在中小集成電路器件上，限制了學生對復雜電路設計的思路以及設計創新能力的培養。

學生自身限制

1）理解程度限制。大多數學生都是初次接觸數字電路技術基礎課程，數字電路涉及計算機的其他知識，如數制和碼制，這些知識都是計算機基礎學科中的知識，教師會一帶而過，有些學生基礎沒打牢固，難免會出現問題。當學生聽不懂教師所講的某些難以理解的內容時，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，那么這位學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度，就會更加困難，如此便形成一種惡性循環。

2）沒有嚴密的邏輯思維。學生在課堂上能聽懂教師的講課內容，但是課后作業不知從何下手，沒有做到及時理解消化課堂知識，這遠遠達不到教學要求。

3）動手實驗能力差。一部分學生的課堂理論理解非常到位，理論基礎也非常牢固，但是動手能力不能同步，實驗課上往往不知怎么進行連線，理論不能應用到實踐上是沒有成果的。

實驗環節受限 實驗環節基本是在實驗箱上進行的，而大多高校的實驗箱設備都是有一定局限性的。學生在實驗室進行的實驗一般都是課本上較為簡單明了的，簡單的實驗可以在傳統的中小規模集成電路的實驗箱上完成。而復雜的數字系統則需要大量的芯片和連線，中小型實驗箱無法完成。受到實驗條件的限制，大多數學生不能進行更深層次的實驗，他們的實驗能力得不到更好的培養和鍛煉。教師在課堂上強調課程的基礎理論性，過于注重基本原理和設計的一些推導過程，而對于驗證實驗這一環節，大多數教師沒有給予應有的重視。在實驗課堂上，實驗器材數量有限，并且器材很容易被毀壞，教師會嚴格要求學生在實驗過程中連線的準確性，因此，很多學生不敢輕易動手做實驗。

3　教學改進方法

教學模式的改進 隨著現代電子技術的發展，數字電路原有的教學模式已經不再適應現在應用型人才的培養，教學要融入新的技術方法，突破傳統教學模式，如引入EDA技術或者MATLAB/Simulink仿真技術。MATLAB/Simulink采用直觀的圖形化形式進行電路圖輸入，界面友好，操作方便，簡單易學［3］。

以引入EDA技術詳細舉例。EDA是Electronic Design Automatic的簡稱。EDA技術涉及面廣，內容豐富，從教學和實用的層面上，主要有以下四大要素：

1）大規模可編程邏輯器件；

2）硬件描述語言；

3）軟件開發工具；

4）實驗開發系統［4］。

將EDA軟件應用在設計、仿真實驗課題上，進行形象直接的虛擬實驗，可以使學生在進行真實實驗之前就了解實驗內容、熟悉實驗步驟過程。這樣在做實驗時，可以降低許多設計型實驗的難度，同時能節約時間，讓學生做不同的實驗，探討更深層次的數字電路實驗問題，從而提高實驗效率，加強和鍛煉學生動手設計實驗的能力。因此，將EDA仿真軟件應用到數字電路技術基礎教學中，是一種教學手段的創新，同時也提高了數字電路的實驗教學質量。

變被動為主動，驅動教學 教師要采用先進有趣的教學模式，激發出學生的課堂興趣。讓學生的態度轉變，由教師逼著學習到學生自主學習。了解學生的學習需要，培養新時代需要的新型技術人才，而不是只教給學生理論，應該把理論與實踐相結合。除了課程學習以外，教師需要給學生布置相應的學習任務。教師在教學過程中應當轉變觀念，充當課程的設計者、學生的引導者。教師布置的每一項任務都要經過精心的設計，能夠較全面地考查學生對知識的掌握程度，難易得當，并對任務進行必要的提示，以免學生在操作過程中出現無從著手的情況，而挫傷學生的學習積極性。

分階段實驗教學設計 為了達到良好的實驗效果，在此采用分階段的實驗教學方法，該方法將實驗教學過程分為三部分：實驗前輔導、實驗過程中以及實驗成果驗收。

實驗前輔導，在進行實驗之前，教師會對實驗內容進行講解，學生能更進一步地理解實驗原理。并且教師會給學生進行實驗演示，一邊演示一邊講解，讓學生清楚實驗步驟和實驗過程，有助于學生自己動手。

實驗過程中，讓學生組成團隊小組進行實驗，在實驗過程中小組成員可以相互探討研究，相互借鑒長處，能調動學生的積極性，發揮學生的最大能力。同時，教師要在旁邊悉心指導，指出學生實驗過程中存在的優點與不足，提高學生對知識的理解和重點的掌握。

實驗成果驗收，學生在完成任務后，要對完成的情況進行檢查，并要求對實驗的結果進行展示，檢查實驗結果的正確性，提出問題讓學生及時改正，給予一定的表揚，增加學生的學習興趣。布置相應的作業，讓學生就實驗課進行總結，按照團隊小組上交實驗報告。

4　總結

數字電路技術基礎是計算機專業的一門重要課程，通過仔細研究分析，提出存在的問題，及時探討改正，并提出不同的教學創新方法。數字電路的教學改革能很好地幫助學生學習這門課程，鍛煉學生的實驗設計和動手能力，也能幫助學生熟悉先進的電路設計軟件，掌握先進的技術和方法。實驗效果表明，數字電路教學改革激發了學生的學習興趣，提高了學生的實驗能力，在掌握課程學習和實驗驗證等方面都起到良好的促進作用。■

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

［2］李興山.EDA在數字電路教學中的應用［J］.中國現代教育裝備，2006（12）：73-74，79.

［3］彭晗，林永和，楊奕琦.MATLAB/Simulink仿真技術在模擬與數字電路教學中的應用［J］.計算機時代，2010（10）：69-71.

［4］劉曉靜.EDA技術及其應用［J］.咸寧學院學報，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基金項目（Nos.61370169，61402153，60873104）、河南省科技攻關重點項目（No.142102210056）、新鄉市重點科技攻關計劃項目（No.ZG13004）資助。

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