新工科背景下數字電子技術教學改革探究

李宏杰 常盛華

摘要：為了培養學生的愛國主義情懷和社會責任感，提高學生學習數字電子技術的積極性，探究了一種新工科背景下數字電子技術教學改革方法。文章分別從課堂導入環節、教學目標設定、課堂組織形式、課堂目標評價四個方面進行介紹，并且把嫦娥五號月球探測器發射環節融入課堂教學，驗證課本理論正確的同時提高了學生的民族自豪感，同時為后續專業課程學習做好知識鋪墊。

關鍵詞：新工科體系;數字電子技術;嫦娥五號探測器;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）12-0116-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

數字電子技術是一門電子信息類工科專業所必修的專業基礎課，通過數字電子技術課程的學習，學生們可以掌握布爾邏輯、門電路、觸發器、組合邏輯電路、時序邏輯電路、AD/DA轉換等知識[1]，為后續單片機原理、嵌入式原理及應用等課程做好知識鋪墊。然而，傳統的數字電子技術課堂教學老師在課上只講解課本主干理論知識，學生課下僅靠做課后習題進行知識鞏固，這種陳舊的教學模式很難調動學生的課堂積極性和學習興趣，同時由于采用的教材一般為國家規劃類的工科教材，課本中除了規定的主干知識以外很少有新工科體系元素融入進去，不能較好地體現新時代高等教育“立德樹人”的根本任務和使命[2]。

將新工科體系元素融入課堂是時代的需要，陳寶生部長曾在新時代全國高等學校本科教育工作會議上指出“堅持以本為本，推進四個回歸”，尤其是在新冠疫情常態化背景下世界各國進入百年未有之大變局，“立德樹人”成了高等教育的一項根本使命和任務，如何將新工科體系元素更好地融入專業課程學習成了一項所有高校專任教師亟待解決的問題。

為了培養學生的愛國主義情懷和社會責任感，挖掘數字電子技術中所蘊含的新工科體系元素，本文探究了一種新工科體系背景下數字電子技術教學改革方法。分別從課堂導入環節、教學目標設定、課堂組織形式、課堂目標評價四個方面進行介紹，并且把嫦娥五號月球探測器發射環節引入課堂教學，驗證課本理論正確的同時提高了學生的民族自豪感，為后續專業課程學習做好知識鋪墊。

1 傳統數字電子技術理論教學模式

傳統的數字電子技術理論教學模式是由教師在課上僅講解課本主干知識，通常不會把新工科體系元素融入課堂教學中去，學生在課下通過做課后習題進行練習鞏固的模式。例如在學習數字電子技術第六章第四小節“計數器”時，教師首先給出計數器的概念和分類，然后通過講解由觸發器設計的計數器使學生了解計數器的工作過程和原理，最后通過講解集成計數器使得學生能夠掌握反饋清零法、反饋置數法和級聯法，并且可以綜合運用以上三種方法來設計任意進制的計數器。圖1為由T觸發器組成的四位二進制加法計數器，由于T觸發器的特性方程為：

[Qn+1=T⊕Qn]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

當T觸發器的輸入端接到高電平1時，T觸發器的特性方程就變成了：

[Qn+1=Qn]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

因此時鐘信號每來一個上升沿信號，FF1的輸出端Q1就會翻轉一次。其余三個T觸發器FF2～FF4的輸入端都接成來自其i-1低位輸出的邏輯與，只有各觸發器的i-1低位都輸出為高電平時，第i位才能實現翻轉，這樣就實現了四位二進制加法計數的功能。

在講解了由觸發器設計的計數器之后，學生們可以從中了解計數器的工作過程和原理，接著就講解如何利用集成計數器來設計任意進制計數器，在講解過程中給出反饋清零法、反饋置數法、級聯法三種構造計數器的方法。最后通過講解一道例題，如何利用集成同步十進制計數器74LS160來構造60進制加法計數器，如圖2所示。該示例采用了反饋清零法和級聯法，想要構造60進制計數器，就需要低位片設置成10進制，高位片設置成6進制，然后低位片和高位片級聯就設計成了60進制計數器。由于74LS160是異步清零方式，因此高位片想要設置成6進制的清零邏輯為，這樣就構造出來了60進制加法計數器。

傳統的數字電子技術理論教學模式雖然看似原理簡單，便于學生理解，但是這些知識往往都是學生在課堂上被動學習和接受的，有相當一部分學生對于這些枯燥的理論沒有學習興趣，課堂抬頭率不高，學生對于這些知識的概念僅僅停留在“會做題，會考試”的層次上[4]。而且，傳統的數字電子技術理論教學模式沒有把新工科體系元素融入進去，不能較好地體現高等教育中“立德樹人”的根本任務和使命。

2 新工科體系背景下數字電子技術理論教學模式

新工科體系背景下數字電子技術理論教學模式采用以“項目導向化”的方式進行知識鏈組織和講授，以“面向產出”為根本的教育理念，同時在知識傳授過程中充分挖掘知識鏈中所蘊含的新工科體系元素[5]。同樣，還是以上文中提到的數字電子技術第六章第四小節“計數器”的知識為例。課堂以專題的形式展開，共分為以下4個環節：（1）課堂知識導入，通過當前時事新聞和愛國主義范例引入本節所要講解知識;（2）以生活中常見的電子器件設計為課堂教學目標，提高學生的學習熱情;（3）課堂組織形式采用小組合作形式，分組協作討論設計原理和思路;（4）通過Multisim和QuartusII仿真軟件進行原理驗證，最終制作出來實物進行感受并且做出合理公正的課程目標評價。

2.1 新工科體系背景下的課堂導入環節

本次授課在講解“計數器”之前，首先啟發學生尋找生活中用到計數功能的電子設備，從交通紅綠燈到倒計時電路，從起床鬧鐘到火箭發射倒計時點火，這些情景都涉及了計時、計數的功能。為了提高學生的愛國主義情懷和民族自豪感，本節“計數器”課程的導入環節采用“嫦娥五號”衛星月球挖壤。在2020年11月24日凌晨，我國在中國文昌航天發射場，用長征五號遙五運載火箭成功發射探月工程嫦娥五號探測器，這是人類時隔44年再一次用探測器登錄月球表面并帶回月球土壤標本，我國也成了世界上繼美、蘇之后第三個實現月球采樣返回的國家[6]。更深層次講，習近平總書記在主持全國科學家座談會上發表重要講話：“我國經濟社會發展和民生改善比過去任何時候都更加需要科學技術解決方案，都更加需要增強創新這個第一動力”。這就要求我們所有同學更好地學習專業知識，練就過硬的本領，為中華民族的偉大復興貢獻出自己的力量。長征五號運載火箭發射升空前的倒計時點火情景就可以引入本節課所要講解的“計數器”的知識，同時通過“嫦娥五號”成功實現月球挖壤可以提高學生的愛國主義情懷和民族自豪感，達到將新工科體系元素引入課堂的目的。

2.2 新工科體系背景下的課堂教學目標設定

為了提高學生們的學習熱情，并且結合本節課所要講的“計數器”的知識目標，以“項目導向法”為教學的組織手段，最終選取以制作一個計數報警器為本次授課的教學目標，要求學生們制作一個60進制的計數報警器，輸入級以四角開關作為脈沖輸入，每按一次開關產生一個計數脈沖信號。中間級通過74LS192計數器的級聯和反饋清零設計60進制計數器。輸出級以555定時器構成單穩態觸發器，觸發之后產生10s的高電平來驅動蜂鳴器和LED燈進行聲光報警。這樣學生在學習計數器的知識時既可以學習反饋清零、反饋置數、級聯等設計任意進制計數器的方法，又可以把555定時器的知識綜合進去，在學習過程中學生還可以通過Multisim、QuartusII等仿真軟件進行仿真驗證，最后動手制作PCB來進行實物感受。

2.3 新工科體系背景下的課堂組織形式

新工科體系背景下的課堂組織形式采用“雨課堂+大學慕課”的形式，首先在課程開課之前先讓學生們在大學慕課上預習課程知識，使學生帶著問題來學習，進而引發學生的頭腦風暴[7]。在課上通過小組合作的形式，讓學生們分組討論設計原理和方案，培養他們的團隊協作意識。然后每個小組派一名代表到講臺上講解自己小組的設計思路和方案，大家一起討論其優缺點。在此過程中遇到學生們無法解決的問題，可以通過雨課堂發布彈幕的形式進行課堂提問，老師進行集體重點講解和答疑，再通過雨課堂發布習題來檢驗學生掌握的程度，體現“翻轉課堂”的教學理念，提高了學生的學習熱情，有效解決了課堂抬頭率不高的問題。

2.4 新工科體系背景下的課程目標評價

新工科體系背景下的課程目標評價采用項目成果評價形式，即以小組為單位提交各位學生制作的計數報警器實物和設計說明書。通過設計實物的好壞和設計說明書的內容對每位學生的掌握程度做出合理公正的評價，將其成績計入期末考試的過程考核分數中，圖3為學生制作的計數報警器實物。

3 結束語

本文首先介紹了傳統數字電子技術的理論教學模式，針對傳統數字電子技術理論教學模式陳舊、不能較好地融入課堂思政等缺點，探究了一種新工科體系背景下數字電子技術理論教學改革方法，分別從課堂導入環節、教學目標設定、課堂組織形式、課程目標評價四個方面進行教學改革探究，同時把嫦娥五號月球探測器發射環節融入課堂教學，驗證課本理論正確的同時提高了學生的民族自豪感，同時為后續專業課程學習做好知識鋪墊。

參考文獻：

[1] 覃愛娜，李飛，陳革輝，等.《數字電子技術》課程思政建設與實踐探索[J].創新創業理論研究與實踐，2020，3（24）：10-12，15.

[2] 張麗，王立國，劉景艷，等.課程思政視角下數字電子技術教學改革實踐與探索[J].教育教學論壇，2020（26）：93-95.

[3] 劉悅婷.將課程思政融入《數字電子技術》課程的教學探索[J].蘭州文理學院學報（自然科學版），2019，33（3）：120-122.

[4] 成鳳敏.《數字電子技術》課程思政建設探討[J].電子世界，2019（6）：106.

[5] 朱國賢，謝木標，陳靜，等.無機化學教學中“課程思政”教育的探索與實踐[J].大學化學，2021，36（3）：38-43.

[6] 崔艷.將思政教育融入《數字電路》課堂的探索[J].決策探索（下），2019（8）：79.

[7] 丁世林，王潔雯.在有意與無意之間：課程思政實施策略研究[J].佳木斯大學社會科學學報，2019，37（6）：169-172.

【通聯編輯：王力】