數字電子技術的教學思考與改進

王學慧 陳 微 馬 勝

（國防科技大學計算機學院 湖南長沙 410073）

引言

數字電子技術基礎是絕大多數理工院校的重要專業基礎課之一，是電子技術課程的重要組成部分，多數高校都是在學完模擬電子技術課程后開設本門課程，一般是在大二下學期開始。這一時期也是培養學生動手能力和創新能力的關鍵時期，學生掌握的情況會直接影響后續課程的學習，所以學好數字電子技術基礎這門課程對電子類、信息類專業的學生來說非常重要。

數字電子技術這門課程有很多知識點，調整培養方案后，該門課程的學時由56學時縮減為48學時，但教學大綱里面提出的必須掌握的知識點并沒有大幅度減少，因此如何在壓縮學時課時后使學生扎實地掌握數字電子技術相關知識，并有效的應用于實踐中，是教學工作中需要不斷探索的內容[1]。

一、課程特點與現存問題

數字電子技術是工程技術基礎必修課程，是電子技術知識領域的入門課程，具有自身的理論體系和很強的實踐性。其教學任務是：了解和掌握數字電子技術的基本概念、基本理論和分析設計方法，初步培養分析和應用實際電路的能力，為深入學習電子技術及其在專業中的應用打好基礎。

目前，我們現有的數字電子技術教學突出體現一些問題：

以老師課堂講授為主，作業實驗為輔的形式。我們會用貼近生活的例子或者經典的實驗，讓學生理解掌握基本原理、常見方法。但是學生自覺性和積極性不高，不能夠自發地去探討，這就嚴重制約了學習效果，畢竟工科更加看重的“吸收后的再生能力”，需要學生內化成自己的思路與本領，并且做到靈活運用，可以解決簡單問題。

實驗課程是在對應的知識點課堂講授之后，即理論學習之后再去安排實驗室做實驗，這樣或多或少會造成理論與實踐部分脫節，一方面對于所學知識的掌握會有較大折扣，另一方面也有礙于學生綜合動手操作能力的提升。

課程內容繁多，知識點較多，而且數電不同于模電的學習方法，學習模擬電子技術需要先學習電路分析課程，具備電路分析基本方法即可，數字電子技術需要的先修課程就在本門課程當中介紹，就是邏輯代數，一般學校不會單獨開設邏輯代數課程，我們是在數字電子技術課程的第一章中先學習基礎知識邏輯代數，這一部分是分析數字電子技術的基礎，比較枯燥的數學知識，會占用一部分學時。

數字電子技術主要講授集成電路，其內部結構龐雜，原理性相關的講授很占用時間，一般在講授某一部分知識的時候很多情況其原理性內容不是重點講授的，重點是怎么應用，忽略原理的講解，沒有很好的過度，學生接受情況會比較差，而且課堂過于拘泥于課本內容，少有實例的介紹，課上教學變得單調，從而使得同學們的學習熱情也會大打折扣。在實踐教學中，多數實驗為驗證性實驗，學生缺乏興趣，學生只是機械的操作來印證課本中的原理，教學效果不佳[2]。

二、課程教學思考與改進

課堂教學是每門課程的核心關鍵環節之一。在理論教學中，教師要精講重點內容，引導學生通過學習掌握重點、攻克難點，培養學生積極主動的學習習慣。我們在教學改革中有意識地引導學生自主學習的意識，激發學習興趣，善于使用啟發式的教學方法，使教與學形成互動。教會學生自學的方法，教會學生積極地向書本求教，向實踐求教。

1.精心打磨第一堂課

從第一堂課開始，老師要給學生介紹本門課程的定位性質等，在正式講授課程內容之前對本門課程的介紹很關鍵，要在這一堂課上成功提起學生學習本門課程的興趣，使學生明白接下來將要學習的知識有什么用，同時也要強調難度，使得同學們要用心對待，愿意花時間與精力去學習掌握這門課程[1]。

數字電子技術的應用很多，在我們日常生活中隨處可見，數字秒表、倒計時牌和流水燈等，適當舉一些簡單的實例，說明這里面和數字電子技術相關的內容。另外，可以綜合電子技術整體，進行全面的介紹數字電子技術在一般控制系統中位置，聯系不同課程完成整體控制。例如，一個壓力控制系統，首先要把被控對象壓力這個非電量通過壓力檢測元件（傳感器）轉換成電量的模擬信號，再通過模擬信號處理電路進行信號放大變化等，這樣處理完的信號仍是一個模擬量，不能直接送到計算機進行處理，這就需要數字電子技術的模數轉換相關電路來進行處理，把處理后的數字信號送入計算機進行程序處理后，再反饋給被控對象進行調控，這樣講電子技術在整個控制系統的作用介紹給學生，明確所學知識的位置，對所學有一個整體的構架，有利于后續學習[3]。

2.綜合改進課堂教學方法

教師在教學環境中承擔的角色應該是復合變化的。在課前，教師是課程的設計者和開發者；在課中，教師是課程的講授者、組織者；在課后，教師是協助者。因此，整個教學活動中，教師為學生的研究創造條件，讓他們能在自我理解中尋找整體框架，并在理解的全過程中發揮整體的功能。多設問題，多讓同學們思考。改變一貫以來的老師講不停，學生聽不進的突出現狀。

例如分析數字電路比設計數字電路要容易。先從分析入手，給一個電路圖，看起來復雜，讓同學們一步步分析輸出與輸入之間存在什么邏輯關系。雖然比老師講出來耗費時間，但是通過思維碰撞得來的正確答案能收獲到成就感，以及通過討論糾錯所獲得的答案印象更加深刻。

3.重視方法總結

由于數字電子技術里面相當一部分都是集成電路知識，這些內容內部結構復雜，原理講授有些困難，集成電路由成百上千甚至上萬的分立元件構成，想要弄明白每一種電路的結構和原理難度很大，學生也容易產生疲勞。

然而，學習是由簡單到復雜的一個過程，前期在講授簡單邏輯電路時可以適當花時間和精力講授電路結構特點和原理，選擇性的精講幾個電路即可，在講授的同時要引導學生總結電路功能端子的規律特點。數字電路是有一定的規律性的，總結規律是工科類學生要具備的能力，到后期，當面對較為復雜的電路時，一部分學生自己就會得出結論，另外一部分可以通過討論、答疑得出結論。不必過分分析電路內部結構原理，由外部特征進行分析即可，再配合適量練習，即可接受相關知識，學生不會覺得過度突兀，接受效果良好。

4.配合項目驅動

以數字鐘的設計與制作為例來說明。

（1）項目能力目標

①通過本實驗使學員熟悉計數器的工作原理，掌握利用異步反饋電路構成N進制計數的方法。

②掌握用計數器和門電路構成數字式電子鐘的設計與調試方法。

③訓練的能力點為綜合電路設計和分析的能力點。

（2）實驗具體目標

數字式電子鐘是一種用數字顯示秒、分、時、日的計時裝置。其一般構成框圖如圖所示，它由以下幾部分組成：石英晶體振蕩器和分頻器組成的秒脈沖產生器；校時電路；六十進制秒、分計數器及24進制（或12進制）計時計數器；以及秒、分、時的譯碼顯示部分等。

秒脈沖是由石英晶體振蕩器分頻（1Hz）后得到的。秒計數到六十后，對“分計數器”送入一個脈沖，進行分計數，分計數到六十后，對“時計數器”送入一個脈沖，“時計數器”是24進制計數器，實現對一天24小時計數。電子鐘的顯示由計數器、譯碼器經數碼管實現。

（3）具體落實

步驟一：用計數器74LS161、與非門74LS00等元器件構成一個能顯示時、分和秒的數字式電子鐘。秒脈沖信號可利用實驗箱上的開關（手動調試時用），或是實驗箱上的恒定頻率脈沖源產生，也可以利用信號發生器中的TTL脈沖輸出產生。時、分和秒的數字直接用實驗箱中的數碼管顯示，只需將各位計數器的輸出接入對應顯示數碼管的輸入端即可。

步驟二：在實驗前先要了解芯片的外引腳及功能，熟悉74LS161的工作特性和功能表，用74LS161和與非門設計出秒、分、時計數器，要求整個系統具有異步復位功能。畫出完整的邏輯電路圖和實驗連線圖。

步驟三：在實驗箱上完成實驗線路的連接。由于本實驗芯片較多，因此在實驗箱上要對電路作合理布局，以方便檢查及排除故障，檢查無誤后，加電測試。

（4）綜合評定

采用教師檢查驗收和提交項目報告的形式完成評價。對出現的共性問題，大家一起討論并給出解決方案，分析比對各方案的優缺點進行講評。其中可以鼓勵學生互檢，激發學生興趣，拓寬思路。

三、成績評定適度調整

成績是學生最關心的問題，也應該是可以客觀真實體現學生掌握情況的一個標準。過去基本上依賴最終的閉卷試卷測試，現在更加突出過程成績的記錄。

實踐表明：在課程學習過程中，針對典型邏輯功能電路（如：編碼/譯碼器、選擇器、比較器、加法器、寄存器、計數器等）進行設計與編程，不僅可以讓學生加深相關知識點的理解，而且還可以提高學生的工程實踐能力，順應大規模數字電路開發的需求；同時，培養學生的創新思維、獨立分析問題、解決問題的能力。單看一張期末試卷不夠全面和立體，我們最終成績評定有了不少改進。

1.平時成績引入評價體系

從第一節課到最后一節課，全程記錄每一位學生的學習過程，包括到課情況，課堂問題解答情況，每次作業的完成情況。從一開始，就讓學生感受到他每次的認真投入、付出都會有回報。

在作業的批改過程中，老師要花精力記錄每位同學完成情況，錯誤多的共同點，可以統一講解答疑。也可以看出每位同學對課程的學習態度，這些都應該放入課程評價體系里面。

我們也加入一些改革，在平時上課期間加設一些小測，對階段性的學習進行及時測試，這些也可以算入平時成績里面。一般而言，平時成績分數高的，最終的結課閉卷考試都比較優秀。這也符合預期。

2.實驗成績增加權重

教改之前實驗成績占比20%，現在我們上調到30%，可以使得學生更加重視實驗部分。通過課堂講授、課程實驗、課后復習答疑等過程環節，使學員經歷從理解數字集成電路的工作原理，到應用理論和方法進行分析和設計組合邏輯和時序邏輯電路、理解計算機功能部件的工作原理，進而了解邏輯電路設計新技術等全過程，體驗其中的重點與難點問題，使學員分析和設計邏輯電路的能力得到培養和鍛煉。

通過本課程的教學，使學員對數字電子技術領域有全面的了解，不斷提高對電子技術的興趣，關心相關領域技術的發展；同時培養他們嚴謹求實的學習作風和積極探索的科學精神；加深他們對電子技術在部隊信息化建設中地位的認識，增強社會責任感和使命感，形成用科學技術知識為祖國、軍隊和人民服務的意識。

結語

“教學有法”，尤其是在新時代需求下，對于不同的課程伴隨著新的特點，教師只有不斷在教學實踐中進行摸索和改進，發揮主觀能動性，利用多方法因材施教，爭取獲得相對更理想的教學效果。

總之，數字電子技術發展迅猛，僅僅具備基礎知識還遠遠不夠，需要持續學習和終身學習，與時俱進。知識型經濟時代對知識與技能兼具的電子科學與技術應用型人才的需求正在不斷增加，為滿足社會發展需求，高校需要培養更多的優秀的電子技術人才；而數字電子技術課程是重要基礎課，通過課程改革提高學生學習興趣，提高學生創新能力，挖掘學生的潛力，充分利用課堂教學資源，為祖國信息化人才貢獻力量。