劉 戀，郭立強(qiáng)(.淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇淮安 3300；.淮陰師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 3300)

數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

劉 戀1，郭立強(qiáng)2
(1.淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇淮安 223300；2.淮陰師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223300)

數(shù)字電子技術(shù)是電子信息類專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)課程，本文針對(duì)教學(xué)過(guò)程中存在課堂教學(xué)枯燥、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高的現(xiàn)狀，分析傳統(tǒng)教學(xué)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出模塊化實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)課堂教學(xué)的模式，讓學(xué)生在完成模塊化實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中提高學(xué)習(xí)興趣，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)。三年的教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生在我們所開發(fā)的數(shù)字時(shí)鐘模塊實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的學(xué)習(xí)效果良好，學(xué)習(xí)興趣和滿意度明顯提高。

數(shù)字電子技術(shù)；電子信息；教學(xué)改革；模塊化實(shí)驗(yàn)

數(shù)字電子技術(shù)是高校電子、電氣、信息類等相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課之一，理論性和實(shí)踐性并重。加強(qiáng)數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)，夯實(shí)學(xué)生的理論知識(shí)體系，提高學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力，要從提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣入手。我院作為改革試點(diǎn)，從2013年開始對(duì)電子相關(guān)專業(yè)學(xué)生實(shí)行電子信息大類招生模式，即學(xué)生入學(xué)時(shí)的專業(yè)為電子信息大類，在第五個(gè)學(xué)期時(shí)進(jìn)行學(xué)生和專業(yè)雙向選擇與劃分，學(xué)生在前兩個(gè)學(xué)年學(xué)習(xí)的專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容相同，都為電子類專業(yè)基礎(chǔ)課。數(shù)字電子技術(shù)是其中一個(gè)重要的基礎(chǔ)課程，該課程與模擬電子技術(shù)、單片機(jī)、DSP、微機(jī)原理、電力工程等課程有密切的知識(shí)關(guān)聯(lián)，起到承前啟后的作用。本課程共分為三個(gè)模塊：數(shù)字邏輯基本運(yùn)算模塊、組合邏輯電路模塊、時(shí)序邏輯電路模塊。數(shù)字邏輯基本運(yùn)算模塊主要內(nèi)容有數(shù)字信號(hào)的基本表示方法、邏輯運(yùn)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(jì)方法、基本的組合邏輯器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。時(shí)序邏輯電路模塊主要內(nèi)容有基本時(shí)序邏輯器件的功能分析與應(yīng)用、時(shí)序電路的基體分析方法與設(shè)計(jì)方法。按照要求，通過(guò)本門課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在掌握數(shù)字電路基本知識(shí)的基礎(chǔ)上深入理解數(shù)字系統(tǒng)的作用、功能和原理，熟練掌握組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)方法，熟悉常用數(shù)字器件的功能、原理和使用方法，了解可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、分析與設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)打好基礎(chǔ)。

通過(guò)對(duì)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)和學(xué)生滿意度情況調(diào)查得知，學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)往往缺乏興趣，即使任課教師積極認(rèn)真?zhèn)湔n，投入足夠的精力教學(xué)，學(xué)生配合度依舊不高，教學(xué)效果不理想，很難完成教學(xué)大綱既定的要求和目標(biāo)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)提高學(xué)生對(duì)這門課的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)本門課進(jìn)行教學(xué)改革。將教材劃分為不同的知識(shí)單元，與模塊化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)應(yīng)銜接，逐步引導(dǎo)學(xué)生在完成模塊化實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)，使學(xué)生成為教學(xué)活動(dòng)主體。

1 數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)方法現(xiàn)狀分析

一直以來(lái)，數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)都是先進(jìn)行理論知識(shí)講授，再開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般都是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)箱上完成基本的電路連接工作，測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在整個(gè)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生真正動(dòng)手和思考的機(jī)會(huì)較少。通過(guò)學(xué)生的反饋我們得知，大部分學(xué)生認(rèn)為在傳統(tǒng)教學(xué)方法下數(shù)字電子技術(shù)這門課程在短時(shí)間內(nèi)難于理解、比較抽象，還涉及較多的數(shù)學(xué)、物理內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)多而龐雜，實(shí)踐內(nèi)容偏少，理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)分離，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和操作內(nèi)容固定，沒(méi)有給學(xué)生參與設(shè)計(jì)電路的機(jī)會(huì)。

關(guān)于數(shù)字電子技術(shù)這門課的教學(xué)改革方法已有相關(guān)研究，例如王波等人提出了在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中利用EDA軟件進(jìn)行數(shù)字電路仿真的方法[1]，該文獻(xiàn)只針對(duì)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)提出了課改方法。張婧婧等人也提出了實(shí)驗(yàn)的改革方式[2]，但沒(méi)有對(duì)理論課程提出改革方法。王瑞蘭等人提出了在理論課程教學(xué)中加入Multisim軟件仿真的課改思路[3]，但是改革的方式只是在教學(xué)過(guò)程中增加了軟件的仿真部分，沒(méi)有涉及到硬件部分。陳柳等人提出了在數(shù)字電子技術(shù)授課過(guò)程中加入多媒體現(xiàn)代教育技術(shù)[4]。不同高校在生源素質(zhì)、教師水平、教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施等方面都有所不同，因此每種教改方案[5-7]都是因材施教的結(jié)果。地方普通院校與“985”和“211”工程知名院校相比，學(xué)生的學(xué)習(xí)積累比較薄弱。因此，在課程教學(xué)過(guò)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(zhǎng)和發(fā)展規(guī)律。此外，針對(duì)數(shù)字電路這門課的實(shí)踐性特點(diǎn)，筆者在進(jìn)行教學(xué)改革過(guò)程中根據(jù)本校學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備、學(xué)習(xí)能力等情況，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為目標(biāo)，采用模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法使學(xué)生更好地把握知識(shí)體系、提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施過(guò)程

模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是以完成模塊化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主要任務(wù)，把課本中的知識(shí)點(diǎn)整合到功能模塊中，把一個(gè)模塊劃分成若干個(gè)子任務(wù)，學(xué)生通過(guò)完成各個(gè)具體的子任務(wù)最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)功能模塊的構(gòu)建。教師在整個(gè)模塊化實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和探究各個(gè)功能模塊的用途，學(xué)生由傳統(tǒng)教學(xué)模式下的被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)換為主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)。在功能模塊的構(gòu)建過(guò)程中最大程度地培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣和能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問(wèn)題的能力，最終形成教與學(xué)的良性循環(huán)。

2.1 模塊化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)以功能模塊為載體來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)模塊的構(gòu)建間接地實(shí)現(xiàn)知識(shí)的學(xué)習(xí)與掌握。在設(shè)計(jì)電路時(shí)要盡可能地把教材中的核心知識(shí)點(diǎn)囊括進(jìn)來(lái)，因此需要對(duì)教材[8]的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理。我們開設(shè)的數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)單元主要有邏輯代數(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(shí)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(gè)數(shù)字電子技術(shù)課的核心內(nèi)容是組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)。

模塊化實(shí)驗(yàn)的確定具有一定的綜合性、典型性、覆蓋性和趣味性。根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容，我們提出本門課的模塊化實(shí)驗(yàn)為數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)。數(shù)字電子鐘涵蓋了本門課的核心知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)具備上述特性。數(shù)字鐘的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字電子鐘的結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，驅(qū)動(dòng)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(jì)的內(nèi)容；計(jì)數(shù)電路單元由秒計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)和小時(shí)計(jì)數(shù)三部分構(gòu)成，主要是60進(jìn)制和24進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)，這是典型的時(shí)序邏輯電路的內(nèi)容；時(shí)鐘電路的標(biāo)準(zhǔn)1Hz信號(hào)生成電路由晶振、分頻計(jì)數(shù)器芯片和D觸發(fā)器構(gòu)成，這部分內(nèi)容也涉及時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)。根據(jù)這一架構(gòu)，我們開發(fā)了數(shù)字電子鐘組裝模塊，該套件的電路板如圖2所示。

圖2 數(shù)字電子鐘組裝套件電路板

在圖2中，數(shù)碼管單元為0.39寸共陰極藍(lán)色數(shù)碼管，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的譯碼顯示芯片為CD4026(對(duì)應(yīng)U1～U6)。同時(shí)，CD4026本身又集成了10進(jìn)制計(jì)數(shù)器。另外，CD4026結(jié)合芯片CD4069(對(duì)應(yīng)U8)和74LS11(對(duì)應(yīng)U7)實(shí)現(xiàn)了24進(jìn)制和60進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能。由晶振及其附屬電路產(chǎn)生頻率為32768Hz的信號(hào)經(jīng)CD4060芯片(對(duì)應(yīng)U10)14級(jí)分頻得到2Hz信號(hào)，再經(jīng)過(guò)74LS74芯片(對(duì)應(yīng)U11)分頻便得到標(biāo)準(zhǔn)的1Hz時(shí)鐘信號(hào)。

該電路的焊接成品如圖3所示。圖中最下面有四個(gè)按鍵，左邊的三個(gè)按鍵是非自鎖開關(guān)，用于進(jìn)行小時(shí)、分和秒的校時(shí)，右側(cè)的按鍵為自鎖開關(guān)，是電源開關(guān)。整個(gè)電路通過(guò)右下角的DC電源插座，用9V疊層電池供電。這里，通過(guò)U9：78M05降壓得到標(biāo)準(zhǔn)的5V電源。

圖3 數(shù)字鐘焊接成品圖

2.2 教學(xué)的實(shí)施過(guò)程

對(duì)于數(shù)字電路的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，尤其是對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)比較薄弱的學(xué)生，數(shù)字鐘的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，具有一定的難度，尤其是利用CD4026芯片實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制和60進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)較普通的基于74LS161芯片難度要大。這里需要知道不同的數(shù)字對(duì)應(yīng)的7段譯碼輸出情況，然后再結(jié)合適當(dāng)?shù)倪壿嬮T來(lái)進(jìn)行異步復(fù)位。我們采用模塊分解的方式，按照教材各個(gè)章節(jié)知識(shí)的呈現(xiàn)順序把整個(gè)數(shù)字電子鐘項(xiàng)目進(jìn)行模塊化分解。本著由淺入深、循序漸進(jìn)的方式，我們分解成如下模塊單元：顯示譯碼單元、計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)單元、1Hz信號(hào)單元、輔助電路單元。

顯示譯碼子項(xiàng)目是在講解組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)這一章時(shí)要求學(xué)生必須完成的模塊。傳統(tǒng)的譯碼顯示電路是用74LS47或74LS48芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這里我們重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)電路的能力，簡(jiǎn)要介紹CD4026芯片，把該芯片的器件手冊(cè)給學(xué)生，讓學(xué)生通過(guò)自學(xué)掌握該芯片的外圍引腳及典型的電路連接。用Multisim設(shè)計(jì)出基于CD4026的譯碼顯示電路。通過(guò)這一子任務(wù)的完成，使學(xué)生掌握組合邏輯電路設(shè)計(jì)的基本方法、理解數(shù)碼管顯示的基本原理。

計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)模塊是在講解時(shí)序邏輯電路分析與設(shè)計(jì)這一章節(jié)時(shí)需要學(xué)生完成的。教材中主是結(jié)合74LS161芯片講解計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)。24進(jìn)制和60進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)是整個(gè)數(shù)字電子鐘的核心單元。本著節(jié)約成本的考慮，我們選用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器與譯碼顯示器為一體的芯片CD4026。由于用七段譯碼輸出端信號(hào)作為反饋信號(hào)，相比于8421BCD編碼反饋(如74LS161)信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)24進(jìn)制和60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其難度大大增加。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們先把數(shù)字0～9所對(duì)應(yīng)的7段譯碼輸出以矩陣的形式列出，尋找規(guī)律，把“e,f,g”譯碼輸出端口通過(guò)三輸入與門(74LS11)接清零端口，便實(shí)現(xiàn)了60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。用同樣的方法，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器(需結(jié)合CD4069或其他型號(hào)非門)。通過(guò)這一模塊的完成，使學(xué)生掌握任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)的基本原理，掌握時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)方法。

1Hz信號(hào)模塊涉及教材中觸發(fā)器、時(shí)序邏輯電路、脈沖產(chǎn)生與整型等相關(guān)章節(jié)知識(shí)。重點(diǎn)是使學(xué)生理解計(jì)數(shù)器的分頻功能，使學(xué)生理解為什么采用晶振電路而不是555芯片的1Hz信號(hào)生成電路。此外，這一模塊還使學(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。

輔助電路模塊主要是設(shè)計(jì)校時(shí)電路和輔助電源電路。這部分內(nèi)容比較簡(jiǎn)單，主要讓學(xué)生掌握利用分立元件實(shí)現(xiàn)上升沿或下降沿脈沖產(chǎn)生的方法，讓學(xué)生掌握集成穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法。

最后將幾個(gè)模塊整合起來(lái)，形成一個(gè)完整的數(shù)字電子鐘模塊。通過(guò)Multisim軟件把整個(gè)數(shù)字電子鐘項(xiàng)目進(jìn)行整合與仿真，由學(xué)生在我們開發(fā)的硬件電路板上進(jìn)行實(shí)際的硬件焊接。圖3是焊接出來(lái)的成品圖。將模塊化實(shí)驗(yàn)貫穿于整門理論課的教學(xué)之中，學(xué)生既掌握了理論，又鍛煉了動(dòng)手能力。其他教學(xué)內(nèi)容都要圍繞上述功能模塊展開，為上述功能模塊的順利完成進(jìn)行概念及功能上的認(rèn)知鋪墊。由于我們所開發(fā)的板子小巧、方便攜帶，學(xué)生可以將其帶入課堂輔助學(xué)習(xí)，從而將被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)獲取知識(shí)。

3 成績(jī)考核與學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)

成績(jī)考核是教學(xué)過(guò)程中的必要手段，教師和學(xué)生能通過(guò)考核對(duì)教學(xué)和學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)和改進(jìn)，學(xué)生在完成模塊化實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中收獲了知識(shí)，增強(qiáng)了自信心，培養(yǎng)了合作精神。我們采用過(guò)程化的考核形式，把考核分散到整個(gè)學(xué)期的各學(xué)習(xí)階段，讓學(xué)生更注重平時(shí)的學(xué)習(xí)和積累，也減輕了學(xué)生期末復(fù)習(xí)備考的壓力。在教學(xué)的各個(gè)階段教師有機(jī)會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行督促和總結(jié)。學(xué)生成績(jī)的評(píng)定組成為：平時(shí)成績(jī)占20%，主要包括課堂表現(xiàn)、平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)解決方案等；實(shí)驗(yàn)作業(yè)占20%，對(duì)每一次模塊化實(shí)驗(yàn)的完成都要遞交實(shí)驗(yàn)報(bào)告；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。

4 結(jié)語(yǔ)

基于模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的授課方式，能讓學(xué)生有效地將課堂所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際硬件電路緊密聯(lián)系起來(lái)，為學(xué)生提供良好的鍛煉動(dòng)手能力。該教學(xué)方法在實(shí)施過(guò)程中能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。通過(guò)三年的教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)效果良好，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和滿意度提高顯著。事實(shí)證明，該教學(xué)方法鍛煉了學(xué)生思考問(wèn)題的能力，挖掘出學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神。

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2017-01-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于可交換Clifford代數(shù)的彩色圖像矩不變量研究”(61203242)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“可交換Clifford代數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用”(BK20141253)；江蘇高校“青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師項(xiàng)目(蘇教師(2016)1號(hào))。

劉 戀(1986- )，女，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，從事圖像處理、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤研究。

郭立強(qiáng)(1982- )，男，副教授，博士，從事圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)與模式識(shí)別研究。

G642.0

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2095-7602(2017)04-0123-05