本科模擬與數字電路課程的改革與教學實踐

摘要：介紹了本科院校計算機類應用貫通式模擬與數字電路的教學方法的改革和教學實踐，以適應當前信息科學與技術的發展。模擬與數字電路課程是理論知識和實踐知識相互融合的場所，從理論和實踐兩個方面探討了應用貫通式模擬與數字電路的教學方法，以及如何在實際教學活動中實現該方法，這將有利于在模擬與數字電路課程教學中起到一定的指導作用。模擬數字電路和邏輯編程課程是電氣工程及計算機科學中最重要的專業基礎課程，經過多年的教學實踐證明，教育方法的轉變可以全面提高學生的學習技能，激發學習興趣，大大提高教學效果。

關鍵詞：教學改革；模擬與數字電路；興趣導向；創新培養

一、前言

在傳統的模擬電路和數字邏輯教學過程中，教師在課堂中占據主導地位，教師可以充分主導課堂，將知識傳遞給學生[1]。不僅學生可以利用傳統的教學方法在短時間內形成系統的知識結構，而且學生也可以集中注意力。但在傳統教學方法中仍存在一些不可否認的問題：

首先，在教學方法上，傳統課程具有“學生被動地接受知識”的特點，教師重視傳授知識。然而他們對于能力的發展注重不夠，這種教育方法只把教師的思想和書本內容傳遞給學生[2]，這種教育方法缺乏創造力。學生是為了考試而學習的，他們只關心考試，這就導致了“死記硬背”現象，盡管考試非常有利于促進學生了應付考試的積極性，但大大扼殺了學生的創造力，不利于全面發展。其次在教學內容上，模擬與數字電路或其他與電子相關的課程是交叉的、不可分割的。數字電路是在模擬電路的基礎上發展起來的，它密切依賴于模擬電路的相關知識[3]。因此，數字電學教學過程不能完全離開模擬電路，但數字電路教學的老師很少談到模擬電路知識點，即使談到也沒有足夠的細節，這可能會讓一些差的學生不能跟上課程進度。

這些問題的存在影響了教學質量的提高，制約了學生發展需要，它已不能適應現代教育教學的需要。為了適應時代的變化，這些問題迫切需要解決，以滿足學生的發展需要。為了幫助學生順利完成模擬電路與數字邏輯的學習并取得良好的效果，本文提出了一些改革措施。

如何激發計算機專業學生學習熱情，教授模擬與數字電路是一個非常復雜的關鍵問題。最近，許多關于模擬與數字電路的教學改革幾乎集中在實驗內容的模式上。從2019年開始，作者對這一問題進行了一定程度的研究和改革。改革包括三個部分：1）應用貫通式模擬與數字電路的教學方法；2）培養學生的學習興趣；3）培養學生的創新能力。

二、本科計算機專業課程體系

模擬與數字電路課程適用于計算機科學與技術專業，是一門重要的專業基礎課程，緊密圍繞計算機數字系統核心知識，注重基本理論與應用相結合，注意反映電子技術的新發展[4]。通過本課程的學習，使學生能獲得電子技術中必要的基本理論、基本知識和基本技能，具有分析電路的能力和一般電路的設計能力，在培養高級工程應用人才的全局中，具有增強學生對電子技術工作的適應能力和開發創新能力的作用。

它的任務是：①掌握電路的基本概念與分析方法；②掌握放大電路的原理及集成運算放大器的應用；③掌握數字邏輯與數字系統設計。重點放在“數字邏輯與數字系統設計”，為“計算機組成原理”“計算機系統結構”“嵌入式系統”等課程打下堅實基礎，也為以后繼續深入學習電子技術相關領域的知識打好基礎[5]。

三、教學改革

（一）應用貫通式模擬與數字電路的教學方法

貫穿式實踐教學的內涵主要體現在三個方面：首先，在分析各硬件課程理論基礎上，根據課程相關技術和實驗實踐之間的關系，對課程的實驗進行重新設計，將課程的實驗技術有機地聯系起來，建立新的實驗技術教學內容。把之前課程實驗的結果作為后續課程實驗的基礎，后續課程實驗課程作為對之前課程實驗的反饋的創新實驗課程模式。

在數字邏輯實驗設置中，充分考慮了數字邏輯實驗和計算機組織原理實驗的收斂性。也就是說，在數字邏輯實驗中，學生除了要完成基本的邏輯實驗外，還要完成CPU主要部件的實驗，這些部件將直接用于構建CPU的計算機組成原理實驗。為了避免重復工作，數字邏輯實驗和計算機組成實驗將統一CPU組件接口，從而實現兩個課程實驗的連接，使學生能從系統層面更深入地了解計算機結構，并利用Vivado、ModelSim等硬件開發平臺和仿真工具設計數字系統[6]。

實驗的過程是一個比較完整的工程實踐實驗，需要經歷學習研究、項目論證、系統設計、調試、試驗驗證、設計總結等過程。在實驗教學中，要從以下幾個方面加強對學生的指導：

1.在設計之初，首先要引導學生熟悉實驗的硬件和軟件開發環境。

2.引導學生分析總體設計任務，按照自上而下的方法合理劃分子系統。

3.指導學生完成數字系統控制器的設計，掌握計數控制器、多路復用式控制器、固定順序控制器等不同控制器的設計方法。

4.引導學生在設計子系統模塊時注意時序電路中的時鐘問題，使用統一時鐘。

5.引導學生掌握界面邏輯的設計方法，如三軸加速度計和顯示器的界面邏輯設計。

6.指導學生根據實驗的軟硬件環境設計相應的仿真測試方法，并編寫測試程序。通過仿真測試后，進行開發板測試，驗證系統功能。

7.實驗完成后，可以組織學生進行項目演講、答辯、評論等形式的交流，了解不同的解決方案及其特點，拓寬知識，培養創新能力。

8.在設計中，應注意學生設計的標準化，如系統結構與模塊結構、模塊之間的接口模式和參數要求;在調試時，要注意電路工作的穩定性和可靠性。在測試分析中，應對系統的誤差來源進行分析和修正。

（二）培養學生的學習興趣

1.教學內容的整合

科學的選擇電路課程教學內容是教學改革的核心。教材中涉及有4個部分課的教學內容重復，需要重新編排，既要保證每門課的相對獨立性，又要避免教學內容的簡單重復。因此，課程內容的最佳整合需要既要考慮課程之間的銜接，又要突出后續課程的要求。

在模擬數字電路技術課程中，必須掌握常用元器件的基本原理及其應用。對于高頻電路，需要掌握低噪聲放大器、振蕩電路、鎖相環電路、調制器、解調器、高頻功率放大器及其在通信系統中的應用。在具體的教學內容上，根據最新的技術發展，在課堂教學中加入了一些新穎有趣的模擬和應用電路。與此同時，一些過時的內容將被刪除，目的是讓學生樂于學習電路課程。

2.仿真和電路實際應用模塊

由于應用技術型學生對實際應用內容興趣濃厚，卻對大量枯燥的理論推導興趣不大，因此引入仿真軟件，使抽象的理論知識形象化。

例1：溫感傳感器工作范圍內輸出電壓范圍為10-210mV。嘗試來設計一種信號調整電路，使在測量范圍內輸出電壓范圍是0-3.3V，要求此電路的輸入阻抗必須非常大。

解：雖然傳感器只有一個輸入信號，但這個問題我們可以考慮運用一個測量放大器電路來解決，另外一個輸入端來自電源，從而消除傳感器偏置電壓電路的副作用。如圖1所示，放大器放大倍數是3.3V/（210-10）mV=16.5。由圖1可知，有一電源提供電壓0.01V（10mV）。0.7V的電壓可以通過硅二極管提供，10mV的電壓來自由分壓器提供，為了獲得更穩固的電壓，能夠通過使用穩壓二極管代替硅二極管（也稱為雪崩或齊納二極管）。

課后，學生還可以通過仿真和小電路模塊驗證所學知識，加深理論知識。通過后續課程對仿真軟件的不斷強化訓練，使學生逐步提高仿真軟件的使用技能，形成元器件應用、電路分析和簡單電路設計的概念。使學生熟悉電路在自己生活中的應用經驗，使人易于接受。這樣就可以激發他們的學習興趣，激發他們的學習熱情。例如，在電路原理課程中，將各種電阻、電容、電感帶入教室。學生對元件感到新奇，將更容易學習電路理論。

理論部分的完整教學過程需要在課堂上逐步引入理論教學、模擬教學和實踐教學，幫助學生獲取知識，掌握電路設計方法，提高實踐能力。

（三）培養學生的創新能力

1.實驗過程

（1）設計不同的實驗項目：教師根據每個團隊對電路課程知識的掌握不同，設置不同的實驗項目。然而，不同的實驗項目有一定的交叉部分，引導學生在小組內和小組之間進行多次討論。教師根據每個小組的學習情況分配不同的實驗項目，防止小組之間的剽竊，另一方面，使學生學會依靠整個團隊的力量來解決問題，培養學生的團隊合作能力。 在今后的工作和學習中，學生不僅需要領導能力，還需要團隊合作精神和良好的溝通能力。

（2）設計項目實施方案：各小組根據實驗目標合理安排項目進度，討論工作分工，提交實驗項目方案。學生需要審查和收集大量課程相關信息，并利用他們的專業知識來構思項目實施計劃。大多數學生對自己的想法最終能夠產生興趣，他們愿意努力學習，積極參與。教師根據各組提交的實驗項目計劃，給出意見和建議，調整實驗進度，調整實驗分工。

（3）匯報實驗項目進展情況：班級中，實驗項目進展情況主要由各組匯報。教師和其他小組的學生對每組報告提出自己的意見和建議，并動員師生參與討論。

（4）設置“附加問題”：面對時代的挑戰，創新被視為知識型社會的一個重要關鍵因素，能夠改進正采用的技術和掌握未來技術的發展方向。 例如斜坡電路由于峰值電流與實際均勻電流不匹配，占空比大于50%，系統將不穩定，因此需要增加斜坡補償電路來穩定系統。首先，學生需要對仿真結果進行分析，完成實驗報告，并說明自己設計的自適應斜坡電路的優缺點以及在此過程中遇到的問題。在他們的實驗報告中，哪些問題已經解決，哪些問題還沒有解決。 在自適應補償結構中，斜坡電流的斜率隨占空比變化，從而在不同的占空比下實現不同的補償斜率k，避免了過度補償的產生。其次， 改進的斜坡波電路的設計是一個另外的實驗項目，為更有能力的學生設計。 設計更復雜、更全面、更具挑戰性的“附加項目”，涉及前沿科學知識。“附加問題”設計符合一些更有能力且想要學得更多的學生的要求。

我們舉以下例題論述上述方法：

例2：某電流傳感器用電壓供電，電壓為10mV，傳感器連接到最大電壓為1.2V的處理器接口上。設計一個運算放大器電路，畫出電路的原理圖。

解：由題意可知可使用高輸入阻抗非反相放大器，電路如下圖2。傳感器直接連接到非反相運算放大器的同相輸入端。這個方案的輸入阻抗非常大，因為它實際上是放大器的輸入阻抗，而這個方案的輸出阻抗非常小。

輸出表達式為

由上式可得

電阻R2阻值為1kΩ，那么R1的阻值則為119kΩ。因為120 kΩ為標準電阻阻值，所以R1阻值應為120 kΩ。

2.改考核內容和方式

綜合評估系統應包括課堂、實驗和考試。評價不僅是衡量學生知識掌握程度的指標，也是對學生綜合能力的評價。只有將試卷評估和實踐評估相結合，才能檢驗學生的豐富程度。

學生的綜合能力主要體現在：

（1）對課堂知識的理解。

（2）運用已有課程知識和技能，解決現有實驗中的問題。

（3）將本課程的知識與其他課程知識聯系起來，建立其知識網絡。

學生的實驗成績在本課程中學生獲得的總成績中占40%的權重，期中包括預習情況、操作過程和實驗報告。該課程還包括在整個年級中60%的權重的考試。課堂表現作為平時學習情況的一個反饋，占比20%。合理科學的評價方法不僅是為了反映課程的教學效果，了解學生對知識和實驗技能的掌握，而且是為了提高學生在學習過程中的實踐能力，培養學生的創造力和創新能力。

通過強化和修改課程學習目標，從而改變考核內容，轉變考核的側重點，以達到加強學生對模擬數字電路這門學科的理解，具體學習目標改變如下：

（1）理解并掌握電子技術中的基本概念、基本電路和基本分析方法，針對計算機領域復雜工程問題進行模擬電路的分析以及數字邏輯的表示等方面進行描述，培養學生邏輯思維和推理能力。

（2）在工程問題描述基礎上掌握電子技術中的基本原理、基本分析計算方法及實驗測試方法，培養學生能運用數學、物理科學結合電子技術理論，選用合適的元器件以及恰當的設計方案解決計算機領域復雜工程問題。

（3）掌握模擬電路及數字電路原理知識和文獻研究方法，培養學生根據具體的應用場景的約束條件設計實驗方案和研究路線的能力，并能考慮和分析復雜工程問題的影響因素，采用科學方法對復雜電路進行研究分析并借助文獻研究，得到合理有效的結論。

四、結語

本文結合傳統教學經驗，提出了模擬數字電路技術理論教學的改革措施。教師通過備課，講授，作業布置，課外答疑，實驗考核，成績考核以及第二課堂活動對學生在該課程的表現進行評價。實踐證明，應用貫穿式教學與興趣導向、創新培養更好地促進課程融合，有利于培養學生的自主學習能力。培養學生主動探索的精神和能力，培養學生的工程實踐能力、溝通能力和團隊合作能力。為了今后培養合格的電路設計人才打下堅實的基礎，本文圍繞實踐教學改革進行了一些有益的探索。

參考文獻

[1]Fan H， Qi X， Feng Q. \"Truth from Practice， Learning beyond Teaching\" Exploration in Teaching Analog Integrated Circuit[C]// 2020 IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems （APCCAS）. IEEE， 2020.

[2]Hong L， Hu J， Dong H. Reformations and teaching practices of the circuit principle course in an undergraduate curriculum - ScienceDirect[J]. Procedia Engineering， 2011， 15（1）：3154-3158.

[3]Mei Song Tong， Ling Yi Tang， Guo Chun Wan. “On the Teaching Reform for the Course of Digital Circuits and Logical Programming” [Z]. 2019 IEEE International Conference on Engineering， Technology and Education， April 2013

[4]余厚全，吳凌云，陳永軍.電子信息類專業實驗教學的幾點思考[J].實驗室研究與探索，2009，28（06）：102-104.

[5]Zhang D， Qian P， Wang L， et al. Experimental Case Design of Digital Logic Based on Through-Type Teaching[C]// 2018：1-5.

[6]李毅.數字電子技術實驗[M].西安：西北工業大學出版社，2009.

基金項目：該論文受常熟理工學院一流本科課程建設項目（編號：jsjkc2020016）資助

（作者單位：常熟理工學院計算機科學與工程學院）