民航专业“数字电子技术”课程教学改革

2015-07-04詹湘琳周德新刘晓琳

电气电子教学学报 2015年2期

詹湘琳，周德新，刘晓琳，刘岱，刘涛

(中国民航大学航空自动化学院，天津300300)

目前，我国民航业对高层次的民航机务维修技术人才是迫切需要的，这已成为困扰行业发展的一大难题[1，2]。

“数字电子技术”是现有机务维修人才培养体系中涉及到的一门专业基础课或是一个培训模块。在国内，中国民航飞行学院、北京交通大学电子信息工程学院、天津中德职业技术学院的航空电子设备维修专业以及广州民航职业技术学院在探索“数字电子技术”CDIO模式下的教学改革都取得了一定的成绩[3～5]。

我校也引入美国麻省理工学院的CDIO教学模式并进行了大胆尝试和探索[6]。如何让学生结合民航背景，高效掌握“数字电子技术”课程的理论知识，并具有实践创新能力，让今后走向机务维修工程岗位的学生或者是准备继续深造的学生具有排除数字电路故障的能力，这既是我们课程组进行课程改革的初衷，也是课改的目标。

1 常规教学存在的问题

目前，我院主要面向机务维修工程培养学生。“数字电子技术”的课程建设还存在一些问题。

(1)教学内容中缺少与民航相关的实践应用

目前，我校选用的教材是由高等教育出版社出版的、康华光等编著的“电子技术基础:数字部分(第五版)”，是普通高等教育“十五”国家级规划教材。这套教材通过多届教学实践，教学效果良好。但是，课程组发现，教材以及教学内容与民航业联系不紧密，没有突出民航专业特色。历届学生也反映希望在教学过程中增加与飞机维修、数字电子技术在民航业中应用方面的实例。

(2)理论教学存在的问题

目前，我们理论课教学仍然采用教师在讲台上讲，学生在课桌前听讲的模式。这种模式的教学既有优点，比如条理性强，但又存在明显的不足，即教师很容易陷入在黑板上一味灌输知识，而学生在经过大半个学期学习以后，只知道各种数字器件的名称以及内部结构和工作原理，对于学了以后器件如何使用、用在哪里、如何构成一个数字系统仍然很茫然。所以，这种教学方式下，学生仅仅只会全盘接受教师所教的知识，对于学生独立思考能力、解决问题能力、应用能力的培养存在某种程度的缺失。

因此，针对上述不足，我们在现有课程内容基础上进行了改革和调整。

2 教学内容的模块化设计

本课程的主要教学有如下内容:逻辑函数及其化简、晶体管的开关特性、组合逻辑电路、集成触发器、时序逻辑电路、脉冲单元电路、大规模集成电路、A/D和D/A转换器等。

我们在课堂授课时引入与专业相关的实例，反映当今数字电子技术的发展趋势，以资提高学生的学习兴趣;通过引入仿真软件的学习和应用，不仅起到了与后续课程的衔接作用，也培养了学生的分析能力和实践能力。

通过教师充分交流和设计，我们将整个教学内容划分为基础部分、组合逻辑、时序逻辑、脉冲波形产生和数模转换五个模块。同时，为了增强学生综合能力和动手能力，我们引入若干个任务展开。每个任务在形式上是相互独立的，但又有内在的相关联系，其中也有与民航飞机相关的，如表1所示。当然，这些任务实现的形式是灵活多变的，既可以把一个大任务分解成若干个小任务，让学生分组完成，然后在模块学习结束的时候，将任务以作业的形式书面上交;也可以是教师在模块学习结束后，结合目前飞机上使用的电路与学生一起在课堂上分析、讨论。

表1 数字电子技术模块和任务展开

下面分别以旅客广播系统及数字式甚高频全向信标(VOR)方位测量电路作为实例说明如下。

首先配合图表介绍机上旅客广播系统的作用与组成。机上旅客广播系统是机组、乘务员可对旅客广播、播放预录通告、播放登机音乐和产生高/低谐音的设备。来自机组、乘务员及放音机的音频信号，经过优先权选择电路及放大器放大后，送到客舱内的喇叭播放。谐音信号用于提醒旅客与乘务员。当旅客呼叫乘务员时，谐音电路产生高谐音;当机组呼叫乘务员时，谐音电路产生高/低谐音;当禁止吸烟或系好安全带告示出现时，谐音电路产生低谐音。然后，给学生布置任务:用组合逻辑电路设计优先权电路和谐音产生器电路。

下面以优先权电路为例。优先权电路实现从第一优先权(驾驶舱广播)、第二优先权(乘务员广播)、第三优先权(预录通知)到第四优先权(登记音乐)的任务，其中，第一优先权最高，第四优先权最低。学生可以按照组合逻辑电路设计的思路，先进行逻辑抽象，根据实际逻辑问题的因果关系确定输入、输出变量，并定义逻辑状态的含义。然后根据逻辑描述列出真值表，由真值表写出逻辑表达式。在简化和变换逻辑表达式后，画出逻辑图即可。也可以在模块学习结束后，给出飞机上使用的旅客广播系统原理图，让学生将自己的设计与实际系统设计有一个直观的比较。

同样，在引入数字式VOR方位测量电路任务时，先介绍系统的作用与组成。无线电导航系统中VOR方位的测量除采用机械的模拟方法外，目前多采用数字方法。其基本原理是将接收机电路输出的基准相位30 Hz信号与可变相位30 Hz信号的相位差转换为按时钟频率变化的脉冲数，以计数的脉冲个数来反映VOR方位。这里涉及到RS触发器与计数器的应用。为了帮助学生理解任务，可以更进一步给出数字式VOR方位测量电路波形图。在模块学习结束后，给出数字式VOR测量方位电路图，教师与学生一起分析。基准与可变相位30 Hz信号分别经过放大限幅后得到方波。基准30 Hz方波前沿产生起始计数脉冲，加到RS触发器S端;可变30 Hz方波前沿产生终止计数脉冲，加到RS触发器R端。则RS触发器输出端Q端即输出方位计数脉冲，其宽度代表基准与可变两个30 Hz信号的相位差。因此，方位计数脉冲期间打开“与门”，计数器通过的时钟脉冲个数代表了基准与可变相位30 Hz信号的相位差，从而得到VOR方位。

3 教学方法与手段改革

如何提高学生学习的自主性和学习积极性一直是课程组需要解决的一个难题。除了在课堂上注意多提出问题、增加互动环节之外，教师还积极进行教学方法与手段的改革。

(1)自由开放的课程设计。在课程开始阶段，学生可以自由组合，组成一个研究团队。教师会提出一些比较综合性的小课题，比如表1中的任务。同时，学生也可以自己提出感兴趣的课题。电路设计、工作原理、系统结构、选定芯片、查找芯片手册、买芯片和调试等工作，都由团队成员共同努力完成。在这期间，不仅仅是锻炼学生动手能力，更重要的是培养学生团队意识、社会交往能力。因为选什么芯片、到哪里去买，能否用替代芯片等，都要求学生能走出校门，到市场完成购买。在课程快结束的时候，每个团队结合自己的研究成果，制作PPT、拿着实物向全班同学进行演示、演讲。另外，在演示结束的时候，还需要回答教师和同学提出的问题。通过这种开放的课程设计，能让学生主动参与到课程中，让学生感到知识来源于生活，并服务于生活，提高学生学习积极性和创造性。

(2)对学生因材施教，课内与课外实践相结合。近年来，学校和学院大量投入，构建了与“数字电子技术”理论相配套的基础实验中心数电实验室。所有学生，都要求在该实验室完成实验。课程组与基础实验中心的教师就理论与实验教学的安排、具体任务的布置进行充分、积极的沟通，协调理论课和实验课顺利开展。对于学有余力的学生，课程组教师积极鼓励、指导他们利用课余时间参加各种竞赛，如全国电子设计大赛、大学生创新创业等，提供实践环境，增强了学生分析问题和解决问题的能力。

(3)加强网络教学平台的建设，增加师生之间的沟通，实现课程学习内容和辅助工具的分离。我们开发了“数字电子技术”Blackboard教学平台。平台上提供了多种多样的资料，满足不同层次学生的需要。比如，网站上提供了基本的教学资料，有教学大纲、授课教师的PPT课件、经典例题、课程设计选题等。为了突出实践能力和创新素质的培养，网站上还提供了电子基础应用知识、多届全国大学生电子设计竞赛题库。为了开拓学生的学术视野，同时使本课程与后续的“现代电子系统技术”课程紧密结合，网站上为此提供了FPGA等可编程逻辑器件的相关知识以及相应的仿真实验指导。此外，为加强研究性学习环节，以服务于民航科技发展和学生个人成长，网站上提供了全国部分大学研究生入学考试试题以及部分重点章节的练习题及答案。

4 结语

我校的“数字电子技术”课程的改革已取得一定成果，学生学习热情增高，近五年来学生理论课的成绩呈上升趋势，如表2所示。从表中可以看出，2008-2010年，90分以上的优秀成绩所占比重还比较小，2011年开始，逐年上升。特别是2012年，80分以上的优良成绩要高于往届。另外，学生在课外参加各种竞赛(如全国大学生电子设计大赛)中也取得了好成绩。

今后，我们将更加注重教师的培养，加强与全国高校数电课程组的沟通，借鉴国外“数字电子技术”课程教学成功经验[7]，尝试多样化考核制度，并引入更多科研实例，以取得更好的教学成果。