知識重演教學法在數字電路教學改革中的探索*

丁偉 石會 吳元亮 黃穎 馬麗梅

陸軍工程大學通信工程學院 石家莊 210007

0 引言

數字電子技術現已廣泛應用于現代數字通信、雷達、數字計算機等高頂尖領域。陸軍工程大學數字電子技術、電子技術基礎等課程是通信工程、網絡工程專業學生的專業基礎課程，主要介紹數字電子技術的基本概念、基本理論、基本方法和應用，具有技術發展快、涉及知識點多、實踐性比較強等特點，是學生學習現代電子信息技術、了解電子裝備基本原理、培養科學創新精神以及提高綜合素質的重要途徑。

在新的人才培養方案中，上述數字電路課程的學時都被不同程度縮減。在教學實施過程中，課程信息量大但課時少、學生個體差異大等問題，給學生數字電路的學習與課堂交流帶來極大的不便。為貫徹習近平主席提出的新時代軍事教育方針，落實“培養德才兼備的高素質專業化新型軍事人才”教育目標，積極對數字電路教學進行改革和探索。

1 教學內容和模式的改革

1.1 教學內容的精選與優化

教學內容的改革是教學改革的核心，以學生為中心，篩選、優化教學內容，以現代數字電子技術的基本知識、基本理論為主線，刪繁就簡，將數字電路課程的理論知識講授與實踐操作有機結合，培養學生的理論學習能力和實踐技能。

數字電路課程的基本理論包括邏輯代數等基礎知識、集成邏輯門等常用器件以及常見數字電路的分析和設計方法，其內容主線圖如圖1 所示。

圖1 數字電路教學內容主線圖

其中，基礎知識精選常用數制、編碼和邏輯代數部分內容，弱化抽象的運算定律和規則，避開煩瑣的公式轉換和化簡，減小因學習基礎差異帶來的影響。

教學中，從邏輯門、觸發器以及功能模塊等常用器件入手，引入基本概念和器件的基本功能；精選與軍事裝備和應用有關例題，如表決電路、全加器、任意進制計數器等應用電路，引導學生利用基礎知識和器件特性來分析和設計電路，幫助學生了解數字電子技術的特點和應用，提高數字電路分析和設計的能力。

數字電路實踐性很強，數字電路實驗對學生理解和掌握數字電路的理論知識和實踐技能有至關重要的作用[1]。優化實驗教學內容，按照先易后難、循序漸進的教學規律，保留實驗儀表的使用方法、基本邏輯門和中規模器件測試等必要的基礎驗證性實驗，增加表決電路、加法電路和計數器等常用的設計性實驗，提出24 小時計數器、交通燈和搶答器等有難度的綜合性實驗。通過構建多層次實驗教學，幫助學生擺脫模仿連線的低階操作，鼓勵學生獨立分析、解決問題、完成實驗的高階操作，從而提高學生的實踐能力，培養學生的創新精神。

1.2 教學模式的混合與綜合

開展數字電路線上線下混合式教學模式改革，將傳統課堂教學與在線網絡教學平臺相結合，優勢互補，實現教學效果最大化[2]。

課前，發布預習視頻、課件和教材，引導學生自主學習；布置預習問卷，通過在線學習平臺收集學生問題、掌握預習效果。課中，針對存在的問題，采用不同的教學手段答疑解惑。課后，學生在線提交作業，教師借助在線網絡教學平臺批改作業、統計正確率并形成作業平時成績。

通過混合式教學在課前、課中、課后與學生加強互動，激發學生的求知欲和探索欲，引導學生學會發現問題、分析問題、解決問題的方法，將能力培養貫穿整個教學過程。

根據課程內容與教學模式的特點，課堂教學中注重綜合使用多種教學方法。基本概念采用“學導式”教學法，提供學習視頻和動畫，實行教師引導和學生自學相結合；電路分析和設計方法采用“問題驅動式”教學法，由問題驅動學生主動探索、分析和設計；常用的加法器、譯碼器、計數器等功能電路采用“知識重演”教學法，多次、多角度反復知識內容；計數器、數模轉換器等應用電路結合跳頻電臺、雷達等常用軍事裝備進行實例化教學。通過這些教學方法的實施，保證師生間的互動交流由淺入深、由點到面地高效進行。

1.3 整合課程資源，系統構建思政元素庫

整合課程教學資源，建立豐富的教學資源庫，支撐整個教學改革過程。建立課程知識點庫，按知識點制作數字電路視頻、Flash 動畫和電路仿真；整理課程試題，形成完善的習題冊和試題庫；按照章節錄制課程微課視頻，整理多媒體課件和教案。課程教學中，給學生提供適合的優質學習資源，讓學生以更靈活的方式、更寬廣的視角學習[3]。

在“立德樹人”“以人為本”的基礎上，系統構建思政元素庫，將思政教育貫穿數字電路教學，將使能條件、譯碼器實現函數、觸發器觸發、異步優先級、同步時序電路等難點內容融入一切行動聽指揮、勇攀高峰、召之即來、來之能戰、樹立大局觀念、協同作戰等思政元素，在針對性地引導學生學習數字電子技術知識的同時，樹立正確的人生觀和價值觀，擁有強烈的家國情懷和使命擔當[4]。

2 “知識重演”在數字電路中的應用

2.1 “知識重演”教學法

教學過程中，低效的課堂交流成為阻礙學生順利學習數字電子技術的重要因素之一。如何提高課堂教學質量，是數字電路教學改革首先面臨的問題。本次數字電路教學改革根據學生的學習特點和能力，依循教學規律和課程目標，采用“知識重演”教學方法，將教學重點和教學難點分解，課堂教學從不同角度、不同層次、不同方法對重點、難點進行反復，拉開時間跨度，便于學生理解和記憶，依據學生的學習情況對學習內容、進度適時調整，全面增強教學效果。

2.2 教學案例“全加器”

全加器是組合電路中的基本元器件，也是計算機CPU 中處理加法運算的核心。理解全加器概念并熟練應用是數字電路相關課程的基本要求，也是對后續計算機硬件基礎、計算機組成原理等課程的有效銜接。

與此同時，組合邏輯電路的分析和設計方法是數字電路中的重點和難點，教學過程中需要不斷鞏固和反復。以全加器在數字電路分析中的應用為例，介紹“知識重演”教學方法。

2.2.1 分析仿真，初識概念

介紹基于邏輯門的組合電路分析方法時，給出如圖2a 所示的邏輯電路圖，引導學生用邏輯代數知識分析該電路功能。

圖2 邏輯門構成的一位二進制數全加器

首先，復習各邏輯器件的功能特性，沿著信號傳輸方向，從輸入信號逐步寫出輸出函數表達式。

其次，將邏輯表達式轉換成反映輸入信號、輸出信號之間的取值關系的真值表。

最后，通過觀察真值表中的輸入、輸出變量的取值關系，歸納出電路功能為一位二進制全加器，輸入信號A、B 是相加的一位二進制數，Ci 是低位的進位輸入，Co 是向高位的進位輸出，S 是本位的和輸出。

首次接觸全加器，學生對全加器的概念并不熟悉，引入如圖2b 所示的logisim 仿真電路，加深對抽象概念的形象認識。

仿真電路中，輸入、輸出引腳上實時顯示當前邏輯值，淺綠色1 圈表示邏輯1，深綠色0 圈表示邏輯0。仿真時，點擊輸入引腳可以改變邏輯值，學生可以直觀地看到不同輸入下的電路輸出，加深理解全加器概念，破解教學難點。

2.2.2 歸納方法，理解知識

課堂通過三步引導，點出數字電路的分析就是實際電路到邏輯功能的轉換，理論聯系實際，突出知識點的聯系，說明數字電路分析方法、步驟，完成教學設計和目標。

在此過程中，引導學生體會表達式、真值表等描述方式間的轉換關系，指出設計就是與分析反方向的變換，達到科學思維的訓練和能力素質的培養。

2.2.3 因材施教，拓展激勵

針對學生層次不一、個體差異大等問題，因材施教，引入4 位串行加法器電路作為拓展內容，鼓勵有興趣的學生利用仿真電路進行功能驗證，深入理解電路的工作原理和相關概念。

利用輔導答疑時間，檢查學生的仿真電路，登記加分，提高學生的學習積極性；并且集中講解電路原理，再次引入“全加器”概念，幫助學生熟知加法器相關概念和實際應用。

注意引導學生總結串行加法器的功能和特點，電路結構簡單、器件少、成本低，但是電路運行速度慢。由此引出優化的加法器——并行加法器，激勵學生課后通過微課自學先行進位的概念，為后續介紹并行加法計數器7483 埋下伏筆。

2.2.4 把握主線，探究新知

課堂教學中，牢牢把握“基本概念—基本器件—基本應用”層層遞進的教學主線，探究新知。介紹功能器件——選擇器時，引導學生識別記器件基本功能和器件符號，選擇由雙四選一選擇器構成的一位二進制數全加器電路作為課堂例題，引導學生利用組合邏輯電路的分析方法和步驟自主分析該選擇器的應用電路。

在前期多次反復全加器概念的前提下，學生一旦列出真值表，就可以看出該電路能實現一位二進制全加器的功能。選擇器實現邏輯函數較為抽象，是教學中的難點。

除了利用仿真電路輔助教學外，還可以在實驗課上要求學生在實驗箱上搭建電路、驗證功能甚至進一步拓展提高。學生基于熟知的全加器概念，快速理解選擇器功能，從而熟練地掌握選擇器的應用電路。

整個教學過程中，“知識重演”教學法緊扣“掌握組合邏輯電路的分析方法”這一教學目標，將“全加器”這一知識點的呈現用理論分析、仿真驗證、微課自學、實驗操作等手段有序遞進；從一位到多位、邏輯門到功能器件，多次反復學習數字電路的分析方法；課堂集中教學，課后自主拓展，實驗集中提高，多角度牢牢抓住學生的注意力，保持學生的探究欲。

3 結束語

以“培養具有必要的理論知識和較強實踐能力、適應崗位任職需求的創新型、應用型技術人才”為教育理念，對陸軍工程大學數字電路教學進行改革和探索。通過精選教學內容、創新教學模式、豐富教學資源以及采用“知識重演”教學法等措施，課堂交流更積極，師生關系更融洽，學生的數字電路分析、設計能力大幅提高，課終成績優良率提升10%，不及格率在5%以下。

這充分表明數字電路教學改革行之有效，符合現代教學理論和教學改革的發展趨勢，“知識重演”教學法激發了學生的能動性和創新能力，能夠為部隊戰斗力的提高發揮積極作用。