新工科教育背景下“數字電子技術”課程教學改革與實踐

胡玉霞 邵 慧 金海紅 竇 艷

安徽建筑大學電子信息工程學院 安徽合肥 230601

1 概述

數字電子技術作為一門電子信息類專業的專業基礎課，通過本課程的學習，學生可以掌握數字電路的基本原理、分析設計方法、基本實驗技能，并將所學專業知識用于解決實際工程問題，以培養學生未來能夠繼續深入學習和接受電子技術新發展的能力。

數字電子技術這門課具有公式多、電路多；邏輯性、工程性和實用性強；技術更新快等特點。學者們通過理論[1-4]或實踐[5-7]方面對該課程進行教學改革與實踐，取得良好的教學效果。但與“新工科”建設實用性和綜合性課程發展要求，以及高等教育教學倡導的“立德樹人”培養目標仍存在一定差距。目前課程教學存在如下問題:

(1)學生課程目標不夠清楚，對課程重視不夠；

(2)教學內容主要講授專業基礎知識，很少融入課程思政教育；

(3)教學方法過于單一，難以激發學生課堂教學參與度和學習興趣；

(4)單純利用課堂教學，對抽象理論知識缺少直觀的感受；

(5)僅有理論與實驗教學，學生缺乏對復雜數字系統的設計、仿真和實現的能力。

因此，本文將針對上述問題對數字電路課程進行改革與實踐。

2 重視緒論課的講授，讓學生了解課程的重要性

學生第一次接觸該課程，對課程的認識比較模糊。教師在第一次緒論課時，首先讓學生認識到數字電子技術課程在本專業培養方案的位置和課程目標。當介紹課程研究對象、課程任務和研究方法時，可以與模擬電子技術相關內容進行對比講解，加深學生對數字電子技術課程的認識(如下表所示)，進而說明該課程具有邏輯性和實用性強的特點。

數字電子技術與模擬電子技術課程特點對比表

介紹課程的教學內容時，為了激發學生學習興趣，引導學生列舉身邊常用數字系統，如計算機、手機和數字電視等電子產品，緊接著提出問題，這些數字系統與數字電路有什么關系？然后通過動畫視頻(最終展示如圖1所示)將一臺計算機不斷拆解，得到了計算機最底層邏輯電路。通過上述講授與演示，學生可以明白數字電子技術課程的主干內容和理論體系的脈絡走向，整個課程是從晶體管→邏輯門電路→組合邏輯電路→時序邏輯電路→復雜的數字系統的學習過程。總之，認真講好緒論課，激發學生學習熱情，根據課程特點幫助學生形成良好的學習方法，是實現教與學的良好開端。

圖1 復雜數字系統內部分層拆解流程圖

3 在教學內容中合理融入課程思政元素

為了實現高等教育教學提出的“立德樹人”培養目標，在講授課程相關知識時，合理引入思想政治教育。如在講授電子技術發展歷程時，學生認識到隨著時間的發展，電子電路呈現集成度高增長趨勢(如圖2所示)，出現了集成電路，為了適用集成電路所需要的復雜電路功能，產生了一種新技術EDA(Electronic Design Automation)。因此，這部分知識介紹使學生認識到在學習這門課時，可以通過理論學習掌握數字電路的基本分析和設計方法，但在完成復雜數字電路分析與設計時，需要借助EDA等輔助工具，同時讓學生懂得發展史背后科學家們不斷創新、勇于追求真理的科學精神，并體現科技對社會發展作出的貢獻，激發學生對專業的認同感和社會責任感。

在“邏輯代數卡諾圖化簡”教學中，在驗證學生學習效果時，給出一個表達式，讓同學們各自利用卡諾圖進行化簡結果展示(如圖3所示)，得出“同一個邏輯表達式，采用卡諾圖化簡，其化簡結果不唯一”的結論。通過該例題引導學生明白盡管解題答案不一樣，但得出結論都是合理的。因此讓學生樹立信心，獨立自主地完成老師布置的任務，培養學生求真務實的品質。

圖2 1975—2010年份硅晶片上晶體管數量變化 圖3 邏輯代數卡諾圖化簡結果對比

課程思政教育作為今后高校教育教學的重要組成部分，它對培養學生專心致志、誠實守信和追求真理等優秀品質和實踐創新能力具有重要意義。因此，作為一線的教師，后續課程教學中將不斷增加合理思政元素，使學生在學習專業知識的同時明白做人做事的道理。

4 采用線上線下混合式教學—考核方式

課堂教學的學習軟件(騰訊會議、學習通、雨課堂和學堂在線等)不斷涌現，為高校教師提供了更多的教學方法。課堂教學中，為了調動學生學習的積極性，教師教學中借助學習軟件的一些功能(考勤簽到、資料共享、作業批改、課堂互動、視頻發布等)，達到節省學生課堂時間，提高學習效率的目的。如講解“數電”中不同進制數的轉換問題，首先采用PPT或黑板板書將知識直觀傳授給學生，然后利用學習通等軟件發布與之相關的選擇題，學生現場解答，教師通過學習通能夠看到該題解答準確率，了解全班學生對知識點的掌握情況，進而調整教學進度，提高教學質量。

關于課程考核，“數字電路技術”考核分為平時成績和期末成績，平時成績占有一定比重，包含課堂互動、過程測試、仿真演示等多個環節，避免出現“一次期末考試論成敗”的現象，實現“數字電路技術”考核全面性、合理性。例如，講完組合電路設計后，為督促學生及時復習學習過的知識，增加章節測試，利用教育軟件(學習通)創建試題庫，課堂臨時測驗，要求學生需在規定時間內完成答題，測試完系統批閱客觀題，教師批閱主觀題，并針對測驗結果給學生講解分析。總之，讓學生意識到學好“數字電路技術”這門課，不是通過期末“一套試卷”的測試就可以完成，它需要課前預習、課堂學習研討和過程測試等多個環節的參與才能達到。

5 引入仿真軟件輔助課堂教學

為了加深學生對數字電路功能的了解，引入MATLAB/Simulink[8]、Multisim等軟件輔助教學，形成直觀可視化教學。以“組合邏輯電路和時序邏輯電路分析與設計”為例，可以用Multisim軟件來進行仿真和演示。

組合邏輯電路分析步驟：組合邏輯電路→邏輯表達式→最簡表達式→真值表→確定電路功能。教師上課僅理論講解，學生可能覺得枯燥無味。下面利用Multisim軟件實現上述過程：打開軟件，畫好需分析的電路圖，在虛擬儀器列表中找到邏輯轉換器，將電路圖的輸入、輸出端連接到邏輯轉換器的引腳，得到組合邏輯電路；打開邏輯分析儀，利用儀器上功能按鈕得到真值表、邏輯表達式(最簡式)，進而確定其電路功能(如圖4所示)。

圖4 數據選擇器構成組合電路的仿真演示圖

圖5是74LS160(十進制同步計算器)設計六進制計算器的仿真電路圖。可以看出，圖中數碼管數字動態從0變化到5，當數碼管記到5時，又返回到0。仿真結果直觀顯示出六進制計算器，加深學生對任意進制計算器設計方法的理解，該軟件同樣可以對復雜數字電路進行仿真演示[10]。可見，仿真軟件輔助課堂教學的同時可以幫助學生更好地理解數字電路專業知識，并激發學習興趣。

圖5 六進制計算器仿真電路圖

結語

本文對新工科背景下的數字電子技術課程進行教學改革，將教學內容融入課程思政元素的教學設計，采用線上線下相融合教學手段，通過仿真軟件對課堂講解電路進行仿真演示，并建立理論、實驗和課程設計相結合課程體系，提高教學質量，培養高素質復合型人才。目前，該課程教學改革已初現成效，一方面，與教學改革前相比，學生課堂參與度明顯提高，平時成績和期末成績都比未實施改革前的成績有了明顯提高；另一方面，課程結束后，學生對教師進行學評教的分值也有一定上升，促進了教師教學水平的提高，使得教與學形成良性循環。未來本課題組將進一步對數字電子技術課程教學進行經驗規范化，以期形成一套完整的教學方法。