数字电路课程教学方式改革的探讨

2015-10-28余丹霞

新教育时代电子杂志(教师版) 2015年19期

关键词：数字电路教学方式模块

余丹霞

（湛江市粤西技工学校广东湛江 524009）

数字电路课程教学方式改革的探讨

余丹霞

（湛江市粤西技工学校广东湛江 524009）

在时代不断进步，科技不断发展下，专业基础课的教学方式与方法也应跟着改变。培养学生的创新能力是目前技术教育的一项至关重要的工作；在进行数字电路的教学过程中，如何培养学生的动手能力，提高其实践操作能力与增强学生技能对技校培养合格的技术人才至关重要。在新课改的不断发展下，对教学课程的改变要从多方面入手，重视实践教学是其中一项最为重要的方面，也是提高学生综合技能的一个行之有效的方法。本文从对数字电路教学模式的改革与创新着手，以理论与实践的完美结合来说明数字电路教学方式改革的重要性。

数字电路教学方式的改革实践教学

在技校电子专业，自动化专业以及通信专业与计算机专业中，数字电路是其中一门主要的课程。它主要讨论了数字电路理论知识、逻辑工具的类型、逻辑变换原理与逻辑变换方法以及常用逻辑模块类型与元件类型的原理与应用。主要介绍了基本的设计数字系统方法以及组合电路设计方法与可编程逻辑器件与应用等内容，目的是可以让学生掌握数字电路的设计方法与设计原理，分析并设计出数字逻辑系统。这门课程是一门技术基础课，它的性质是直接面向应用，所以要求理论与实践的紧密结合；数字电路实验与电路设计是教学过程中非常重要的一个环节，这关系到对这门课程的掌握程度。然而，让学生独立去完成一个实验也是比较难的，因为在实验过程中还会存在了一些学生没有涉及与掌握的新的知识点，学生若盲目跟随则会失去实验的真正作用，这会阻碍学生训练提高动手的能力。

一、改革与创新数字电路教学模式

在传统的数字电路教学模式中，理论与实践的脱离使学生不能在实践中将理论知识很好的应用，以至于出现学生不知道自己学了什么的困惑。所以，打破传统教学的束缚，将理论与实践有机的结合是数字电路教学培养学生素质，提高学生技能最有效的方法。

1.应用高科技手段

数字电路的教学内容在不断发展的高科技电子技术下需要不断的更新，在原有课时内实现更高层次的需要显然是不现实的，而且课程本身就有比较多的图表，传统的教学方式已经无法满足这种要求。如果能在教学过程中利用一些仿真软件，比如VHDL软件和Matlab软件，或者利用多媒体教学方式等一些具有现代化的教学手段来直观，形象的将复杂的图表展示出来，不但大大的简化了教师的讲解，还有利于学生更好地学习，给课堂信息量的增加提供了方便。比如，在对组合逻辑电路的显示译码器进行讲解时，要使用引导方式先让学生讨论设计译码器的原理与方法，然后将正确设计方案讲给学生，再用VHDL语言实现，在MaxplusII上仿真。这样做既扩展了学生的思路，又帮助他们加深了理解。如图

图1 仿真显示译码器波形图

Matlab是MATrix LABoratory的缩写，即矩阵实验室，是由美国MathWorks公司独自开发的包括三大基本功能：数值计算与符号计算以及图形可视化于一体的，操作简单但功能强大的语言，这是一种被国际公认的数学应用软件中的一个。在全球各个技校中，Matlab已经成为了一些高级课程常用的教学工具，比如线性代数课程、数理统计课程、数值分析课程、自动控制课程、优化方法可以及动态系统仿真课等。如果将Matlab软件应用于数字电路课程的讲解中，一样可以起到扩展知识面与提高学生学习积极性的重要作用。比如，在进行组合逻辑电路全加器的讲解中，先向学生介绍半加器的原理。假设Ai和Bi表示两个加数，Si表示本位和，Ci表示本位向高位进位。图2为半加器的真值表与所对应的半加器电路图。

图2 半加器（a）真值表（b）电路图

之后用Matlab中的Simulink工具来建立相应的模型，具体操作步骤：1）在Matlab命令窗口下运行Simulink；2）在Math Operations下选择Logic Operator工具，然后拖到新建文件夹中，再进行双击，就可以看到文件夹中包含了6种数字电路的常用门电路，这六种门电路分别为：非门、或非门、或门、异或门、与门以及与非门。在电路图中选出异或门与与门，并分别命名：L1，L2；3）在Sources下选择Constant，并将两个常数模块与Ai和Bi对应；4）在Sinks下选择Display，并使两个显示模块与Si和Ci分别对应；5）按照图2电路图连线；6）对连线进行验证。若Ai=0，Bi=0，验证结果则如图3（a）；7）连线验证正确后，把Contant与Display替换成输入模块与输出模块，然后把所有模块与连线用虚线框选择在一起并点击Ctrl+G来创建子模型。图3（b）。

图3 半加器仿真结果（a）仿真模型（b）子模型

以创建自定义模块来建立属于自己的模块库可以为以后搭建仿真式的数字电路提供便利。将VHDL和MATLAB软件应用于数字电路教学中对数字电路进行设计、调试以及仿真与验证，不但可以丰富数字电路课堂的信息量，还能使学生对电路的仿真过程以及运行结果形象直观的看清楚，对提高学生学习的积极性有帮助，也能提升教学质量。

2、创建课程网站

受课时限制，要想向学生讲解更多的知识，传授更实用的技术，只靠课堂的那些时间是完全不够的。如果能充分利用互联网技术的高科技性，通过课程网站的创建向学生实时的讲解，不仅打破了时间限制，还能从根本上解决了内容多课时少的问题。

3、师生之间多交流

师生之间的沟通交流也是教改中很重要的一方面，在技校中，教师开设的课程在上完课后，师生要多面对面沟通交流的机会。所以，教师在教学过程中，要利用课余时间跟学生交流，了解他们对课程的掌握程度并根据学生实际情况适时的进行课程调整；还要充分利用互联网这个网络平台，不时的组织学生在这个平台讨论，并建议学生将学习中存在的问题发给教师并给与解决，还要鼓励学生对教师的课程提出一些建议，对好的意见要接受并采纳。最后，要保持与已经毕业学生的联系，适时的从他们那里了解与专业相关的公司的一些最新需求，并把这些需求应用到教学中。

二、结合理论与实践

1.理论配合实践

在以往的教学模式中，往往忽视了理论与实践的相结合，学生多数虽然能够很熟悉掌握理论知识，但是在实际问题中，却不知道该怎么解决。在进行数字电路讲解时，可以适当的穿插一些设计实例，并让学生结合相关资料解决一些简单的实际问题。比如在第一节课中，首先介绍课程学习的实际应用，然后介绍主要内容，之后介绍章节安排等，随之引入设计实例。如图4交通管理器系统结构图

在进行思路讲解的同时指出对应知识点，比如系统中组合逻辑电路显示器译码器的应用，时序逻辑电路分频器与减法计数器的应用等。然后给出系统模块图，如图5。学生刚开始可能听不太懂，但是从实例中可以对课程有一个基本认识，这有助于提高学生学习兴趣与积极性。

图5 系统模块图

2.认识课堂实验

在进行数字电路教学时，将理论教学设在便于学生观察并了解这门课程的一些元件，接线以及电路等的实验室中，使学生认识课堂实验，熟悉元件与电路所具有的各种功能与实验现象等，激发学生学习课程的热情。比如，在上数字电路课前，先让学生对集成与门74LS00系列元件（图6）进行认识，并告诉他们这些元件之间的逻辑关系，参数以及应用；再重点介绍译码器、数码管以及数据选择器（图7）等，让学生在认识过程中鉴别器件好坏，并掌握各种器件的功能与应用领域。

图6 74LS00系统元件

图7 74LS151选1数据选择

3.进行基础实验

学生实践动手操作的初步训练是要进行课堂基础实验，在进行上一个环节之后，就可以让学生参与到这个环节中来，训练学生动手能力。在这个环节中，提倡做一些操作步骤简单、现象直观易见的实验，比如电路功能单一，组合电路的元器件较少，操作简单，时间短而实验效率又高的实验。如图8，这是一个双显示电路，实验效果是两个显示器在时钟信号高低的电平变化时交替显示数码。教师可以在学生操作完成后，对学生在操作过程中出现的一些问题及时指出并纠正，还可以让学生借助相关学习资料来对实验中交替显示数码的原理以及显示数码改变的原因进行讨论，有不懂的地方教师也可以及时解答。结果表明，课堂基础实验能够增加学生实际动手机会，还能使学生掌握基础实验过程与操作要领，对学生以后实践操作有帮助。

图8 双显示电路

4.加强理论知识

理论教学在数字电路教学中同样很重要，不能因为增加了学生的实际动手能力而忽视了课堂理论教学。在理论教学中，要参照学生在实践操作环节中的所有元器件，比如编码器、门电路等，并对学生进行讲解与分析，重点讲解那些元器件的内部结构、原理以及功能等；还要给学生提供一定的讨论空间，让他们能够自由的表达、探究、质疑和讨论问题，使他们不断总结在实践操作中没有了解或者没有解决的问题。也可以指引学生参加一些小组或者集体解决疑难题活动，让学生不仅可以巩固理论知识，还可以将实践操作中存在的问题一并解决，更解决了学生实践与理论难以结合的问题。

5.加强课外实践

在学生掌握了一定的理论知识与实践实验操作原理和操作步骤后，教师要进行适当的课外实践的设计。即教师可以根据学生实际学习情况，给出难易比例恰当的题目，并将实验原理与设计要领给学生讲清楚，然后把实验中所需要的元器件与接线板等一些必备品发给学生，之后让学生自己动手操作实验的每个步骤；在学生操作完成后，教师要对学生的实验成果进行验收，并指出其中存在的问题与改进方法，当然，适当的鼓励可以增加学生学习的兴趣。通过课外实践实验的设计，能够提高学生查阅相关应用资料的能力，还能提高学生的实践动手操作能力，使学生在实践操作过程中理解理论，也对以后应用理论来更好的解决实践操作过程中的问题有利。当然，这样的设计也可以帮助一些动手能力强的学生提高其实践技能。