數(shù)字電路課程的項目化教學(xué)研究

郭立強， 劉 戀

(1.淮陰師范學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 江蘇 淮安 223300；2.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院， 江蘇 淮安 223300)

數(shù)字電路課程的項目化教學(xué)研究

郭立強1， 劉 戀2

(1.淮陰師范學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 江蘇 淮安 223300；2.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院， 江蘇 淮安 223300)

計算機專業(yè)的“數(shù)字電路”課程在傳統(tǒng)教學(xué)過程中存在教學(xué)課時少、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高的現(xiàn)狀。本文從我院計算機專業(yè)硬件類課程的教學(xué)實際出發(fā)，分析目前教學(xué)方法的優(yōu)缺點，提出基于項目導(dǎo)向的教學(xué)模式，通過項目化的實驗來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過指導(dǎo)學(xué)生完成一系列的項目來使學(xué)生參與課堂教學(xué)，真正實現(xiàn)以學(xué)生為中心形成了教與學(xué)的良性循環(huán)。

數(shù)字電路；項目化教學(xué)；教學(xué)改革

0 引言

“數(shù)字電路”是計算機科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)的基礎(chǔ)課。作為計算機專業(yè)“電類”入門課程之一，尤其是對于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，本課程在整個教學(xué)體系中起到核心基礎(chǔ)性的作用，同時也是為后續(xù)“單片機”“計算機組成原理”等專業(yè)課打下良好的基礎(chǔ)。本課程共分為三個模塊：數(shù)字邏輯基本運算模塊、組合邏輯電路模塊、時序邏輯電路模塊。數(shù)字邏輯基本運算模塊主要內(nèi)容有數(shù)字信號的基本表示方法、邏輯運算的基本法則與定理。組合邏輯電路模塊主要內(nèi)容有基本的邏輯電路元件、組合邏輯電路的分析與設(shè)計方法、基本的組合邏輯器件的設(shè)計與應(yīng)用。時序邏輯電路模塊主要內(nèi)容有基本時序邏輯器件的功能分析與應(yīng)用、時序電路的基體分析方法與設(shè)計方法。

然而，傳統(tǒng)的教學(xué)狀況并不容樂觀，大綱中的部分教學(xué)目標無法達成。學(xué)生對填鴨式的教學(xué)方式并不感興趣。往往教師投入很多時間到教學(xué)中，但教學(xué)效果并不明顯，學(xué)生收獲不是很多。為了解決這個問題，提高學(xué)生對這門課的學(xué)習(xí)興趣，筆者對本門課進行教學(xué)改革，采用項目化教學(xué)方法進行授課。在項目實踐中激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，給學(xué)生足夠的想象空間，通過適當引導(dǎo)來激發(fā)學(xué)生的積極能動性，使學(xué)生真正融到課堂教學(xué)，滿足應(yīng)用實踐性人才的培養(yǎng)需求。

1 傳統(tǒng)教學(xué)方法存在問題分析

傳統(tǒng)的教學(xué)方法是理論授課然后是上機通過Proteus軟件進行實驗仿真。根據(jù)學(xué)生的反饋，大部分學(xué)生認為傳統(tǒng)教學(xué)方法下“數(shù)字電路”這門課程在短時間內(nèi)難于理解、比較抽象，以電路分析、模擬電路相關(guān)知識為基礎(chǔ)，還涉及較多的數(shù)學(xué)、物理內(nèi)容，知識點多而龐雜，實踐內(nèi)容偏少。傳統(tǒng)教學(xué)，對理論知識這一目標的達成具有一定的效果，然而大綱中的教學(xué)目標“使學(xué)生具備實際硬件故障檢測、分析和排除的能力”這一要求無法達成。主要是由于本門課的實驗是以軟件仿真形式來完成的，學(xué)生無法接觸到實際的硬件電路，更談不到對實際硬件電路進行分析、測試了。

學(xué)生學(xué)習(xí)這門課的狀態(tài)不佳或者說學(xué)生對本門課不滿意的主要原因是課程教學(xué)中所存在的一個突出矛盾：教學(xué)內(nèi)容多而課時量少。本門課的課時是64，其中理論教學(xué)32課時，教學(xué)32課時。這么少的課時量下，為了完成教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)任務(wù)，教師在教學(xué)過程中一味地趕進度，多講知識，整個課程教學(xué)成了以教師為中心的“一言堂”，忽略了學(xué)生的學(xué)習(xí)感受，從而導(dǎo)致了學(xué)生對這門課的學(xué)習(xí)積極性不高，根本談不到為后續(xù)“單片機”等電子類課程打基礎(chǔ)的目的，只會使學(xué)生失去學(xué)習(xí)信心。

關(guān)于計算機專業(yè)“數(shù)字電路”這門課的教改方法鮮有文獻報道，現(xiàn)有文獻都是電子、電氣類專業(yè)數(shù)字電路相關(guān)課程的教改方案[1-3]。此外，與本門課相關(guān)的課程就是“電子技術(shù)基礎(chǔ)”這門課。目前這門課的教改方案多數(shù)針對電氣工程、電子通信等相關(guān)專業(yè)，如張凱利等人實施的實踐教學(xué)方案[4]，華中科技大學(xué)電子與信息工程系針對數(shù)理提高班學(xué)生進行的教學(xué)改革[5]，王美玲等人提出的“按需施教”的教學(xué)方法等[6]。這些教學(xué)改革方法對計算機專業(yè)數(shù)字電路課程的教學(xué)與改革具有借鑒意義。

不同高校計算機專業(yè)從生源素質(zhì)、教師水平、教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施等各個方面都有所不同，因此每種教改方案都是因材施教的結(jié)果。地方普通院校的計算機專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)積累、學(xué)習(xí)習(xí)慣等方面都比較薄弱，因此在課程教學(xué)過程中要做到因材施教。就理論課教學(xué)而言，要遵循學(xué)生的成長和發(fā)展規(guī)律。此外，針對“數(shù)字電路”這門課的實踐性特點，筆者在教學(xué)改革過程中考慮到方方面面的實際情況，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為目標，采用項目化教學(xué)方法來使學(xué)生更好地把握知識體系，提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力。

2 項目化教學(xué)實施過程

項目化教學(xué)方法以完成實際的工程項目為主要任務(wù)，把課本中的知識點揉進整個項目，把一個項目劃分成幾個子任務(wù)，學(xué)生在整個項目的實施過程中通過完成相關(guān)的子任務(wù)，最終實現(xiàn)整個項目的構(gòu)建。根據(jù)具體的項目任務(wù)，通過教師的輔助引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)、探究。在整個項目的實施過程中，學(xué)生由傳統(tǒng)教學(xué)模式下的被動接受知識轉(zhuǎn)換為主動學(xué)習(xí)知識，充分體現(xiàn)出以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。項目化教學(xué)的最大特點是學(xué)生根據(jù)需要去主動學(xué)習(xí)相關(guān)知識，不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生自學(xué)能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，最終形成教與學(xué)的良性循環(huán)。在設(shè)問教學(xué)的實施過程中要做到因材施教，要求教師對課程有全面綜合的把握。

2.1 項目的確立

項目化教學(xué)以項目為載體來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過項目的完成間接地實現(xiàn)知識的學(xué)習(xí)與掌握。在設(shè)計項目時要盡可能地把教材中的核心知識點囊括進來，因此需要對教材的知識點進行梳理。數(shù)字電路教學(xué)單元的知識點主要有：邏輯代數(shù)與數(shù)字邏輯基礎(chǔ)；基礎(chǔ)邏輯門電路；組合邏輯門電路；觸發(fā)器；時序邏輯門電路；脈沖波形的產(chǎn)生與變換；AD與DA轉(zhuǎn)換。貫穿整個“數(shù)字電路”這門課的核心內(nèi)容是組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析和設(shè)計。

項目的確定要具有一定的綜合性、典型性、覆蓋性和趣味性。根據(jù)“數(shù)字電路”教學(xué)內(nèi)容，我們提出本門課的實踐項目為數(shù)字電子鐘的設(shè)計。數(shù)字電子鐘項目涵蓋了“數(shù)字電路”這門課的核心知識點，同時具備上述特性。數(shù)字電子鐘電路知識點由譯碼顯示單元、計數(shù)單元、時鐘信號單元以及輔助電路單元構(gòu)成。

數(shù)字電子鐘的時間顯示是由數(shù)碼管來完成的，而驅(qū)動數(shù)碼管工作的是譯碼顯示電路單元，這部分內(nèi)容是典型的組合邏輯電路分析與設(shè)計的內(nèi)容；計數(shù)電路單元主要是24進制和60進制計數(shù)器的設(shè)計，這是典型的時序邏輯電路的內(nèi)容；時鐘電路的標準1Hz信號生成電路由晶振、分頻計數(shù)器芯片和D觸發(fā)器構(gòu)成，這部分內(nèi)容也涉及時序邏輯電路的分析與設(shè)計。根據(jù)這一架構(gòu)，我們開發(fā)了數(shù)字電子鐘組裝套件供學(xué)生項目實訓(xùn)使用。該套件數(shù)碼管單元為0.39寸共陰極綠色數(shù)碼管，驅(qū)動數(shù)碼管的譯碼顯示芯片為CD4543(對應(yīng)U1～U6)。計數(shù)器選用74LS161芯片(對應(yīng)U7～U12)，結(jié)合74LS00芯片(對應(yīng)U13～U14)和74LS08芯片(對應(yīng)U15)實現(xiàn)24進制和60進制計數(shù)器的設(shè)計。標準1Hz時鐘信號是由晶振及其附屬電路產(chǎn)生頻率為32768Hz的信號經(jīng)CD4060芯片(對應(yīng)U16)14級分頻得到2Hz信號，再經(jīng)過74LS74芯片(對應(yīng)U17)分頻便得到標準的1Hz時鐘信號。

2.2 項目教學(xué)的實施

學(xué)生直接面對數(shù)字電子鐘這一項目會感覺比較困難。我們采用項目分解的方式，結(jié)合教材各個章節(jié)知識的呈現(xiàn)順序，把整個數(shù)字電子鐘項目進行分解。本著由淺入深、循序漸進的原則，分解成如下子項目單元：顯示譯碼單元；計數(shù)器設(shè)計單元；1Hz信號單元；輔助電路單元。

顯示譯碼子項目是在講解“組合邏輯電路的分析與設(shè)計”這一章時要求學(xué)生必須完成的子項目。結(jié)合數(shù)字鐘電路板，CD4543芯片的Datasheet以及共陰極數(shù)碼管，用Proteus設(shè)計出基于CD4543的譯碼顯示電路。這一子項目有利于學(xué)生掌握組合邏輯電路設(shè)計的基本方法，理解數(shù)碼管顯示的基本原理。

計數(shù)器設(shè)計子項目是在講解“時序邏輯電路分析與設(shè)計”這一章節(jié)時需要學(xué)生完成的。主要采用74LS161芯片，輔助二輸入與非門芯片74LS00實現(xiàn)任意進制計數(shù)器的設(shè)計。這部分內(nèi)容是整個數(shù)字電子鐘的核心單元。74LS08芯片主要用于產(chǎn)生進位信號。這一子項目有利于學(xué)生掌握計數(shù)器芯片的基本原理，掌握時序邏輯電路的分析與設(shè)計方法，理解任意進制計數(shù)器設(shè)計的基本步驟與原理。

1Hz信號子項目涉及教材中觸發(fā)器、計數(shù)器、脈沖波形的產(chǎn)生與變換等相關(guān)章節(jié)知識。重點是使學(xué)生理解計數(shù)器除了有計數(shù)的功能還具有分頻的功能，這兩個功能本質(zhì)上是一致的，使學(xué)生理解為什么采用晶振電路。同時，還可以給學(xué)生布置基于555芯片的1Hz信號生成電路作業(yè)。此外，這一子項目還有利于學(xué)生掌握觸發(fā)器的基本原理，理解D觸發(fā)器(74LS74芯片)分頻的原理。

輔助電路子項目主要是設(shè)計校時電路和輔助電源電路。這部分內(nèi)容相對比較簡單，主要讓學(xué)生掌握利用分立元件實現(xiàn)上升沿或下降沿脈沖產(chǎn)生的方法。

最后把上述幾個子項目整合在一起就形成一個完整的數(shù)字電子鐘項目。通過Proteus軟件把整個數(shù)字電子鐘項目進行整合與仿真，然后在我們開發(fā)的硬件電路板上進行實際硬件焊接練習(xí)。通過這一項目，學(xué)生既能掌握理論，又可以得到實際的動手鍛煉機會，而且完成電路焊接后學(xué)生很有成就感，自然會在這門課的學(xué)習(xí)上多幾分努力。

教材中的其他教學(xué)內(nèi)容都要圍繞上述子項目展開，為上述子項目的順利完成進行概念及功能上的認知鋪墊。在這種子項目層層深入過程中，學(xué)生會結(jié)合項目主動學(xué)習(xí)知識，掌握相應(yīng)的基本理論和技能。

在教學(xué)實施過程中，教師的作用是引導(dǎo)學(xué)生完成某個項目，對核心知識點進行講解。在具體的任務(wù)驅(qū)動下，學(xué)生通過任務(wù)的完成或在解決問題的過程中自主地學(xué)習(xí)。將傳統(tǒng)的以傳授知識為主的教學(xué)理念轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q問題為目標的項目化教學(xué)理念。這種教學(xué)模式強調(diào)理論知識方法如何運用于實際，偏重于那些實踐密集型的專業(yè)知識的傳授。

2.3 成績考核與學(xué)習(xí)效果評價

成績考核作為一種手段，其目的是通過考核使學(xué)生掌握知識，激勵學(xué)生學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生有效調(diào)控自己的學(xué)習(xí)過程，使學(xué)生獲得成就感，增強自信心，培養(yǎng)合作精神。因此，我們采用過程化的考核形式，把整個學(xué)期的考核分散到整個學(xué)期的各個學(xué)習(xí)階段。平時成績占20%，主要包括課堂表現(xiàn)、平時作業(yè)、項目解決方案等。實驗作業(yè)占20%，每一個子項目都要完成實驗報告。最后，是期末考核，占60%，由數(shù)字電子鐘的焊接和期末閉卷考試構(gòu)成。

通過這種考核方式，學(xué)生在整個學(xué)期學(xué)習(xí)的各個階段對自己所獲得的分數(shù)有直觀的把握，一方面能夠調(diào)動學(xué)生的積極主動性，避免期末復(fù)習(xí)考試給學(xué)生帶來的額外負擔(dān)，使他們能夠把注意力集中在課堂上；同時，在教學(xué)的各個階段教師可以有機會對學(xué)生的學(xué)習(xí)進行督促和總結(jié)。

3 結(jié)語

項目化教學(xué)方式是基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的一種教學(xué)模式，理論與實踐緊密結(jié)合，該教學(xué)方法在實施過程中能夠有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。通過兩年的教學(xué)實踐，學(xué)生對這種教學(xué)形式很滿意，既鍛煉了學(xué)生思考問題的能力，又通過項目導(dǎo)向挖掘?qū)W生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神。

[1] 李江昊，劉燕燕，付廣偉.“數(shù)字電子技術(shù)”合班課互動教學(xué)探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2014，36(5):18-20.

[2] 葉晶晶，馬曉春.“數(shù)字電子技術(shù)”課程工程教育培養(yǎng)的探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2015，37(4):27-29.

[3] 張婧婧,李勇偉.數(shù)字電路的實驗教學(xué)改革與探索[J].計算機教育,2014(4):29-31.

[4] 張凱利,何召蘭，崔陽.“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程實踐教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2014,36(1):92-93.

[5] 鄧天平,張林.“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程改革的探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2014,36(5):24-26.

[6] 王美玲,劉偉,王波,等.電氣專業(yè)“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程教改探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2016,38(2):46-49.

[責(zé)任編輯：孫義清]

2016-09-30

國家自然科學(xué)基金項目(61203242)；江蘇省高校青藍工程項目

郭立強(1982-)，男，吉林汪清人，副教授，工學(xué)博士,主要從事圖像處理與模式識別研究。郵箱：guolq@hytc.edu.cn

G642.0

B

1671-6876(2017)01-0089-03