“数字电路”课程专题式教学体系研究*

沈谅平（湖北大学物理学与电子科学学院，湖北武汉430062）



“数字电路”课程专题式教学体系研究*

沈谅平
（湖北大学物理学与电子科学学院，湖北武汉430062）

摘要：“数字电路”课程是电子类及相关专业的核心基础课程之一，该课程在电子类及相关专业的课程体系中具有重要的承前启后作用。“数字电路”课程具有很强的实践性，传统的灌输式教学严重影响了学生的积极性和主动性。本文构建以学生的自主学习为主线的专题式“数字电路”课程教学体系，并建立了针对“数字电路”课程的专题式教学组织形式，从而充分发挥学生在学习过程的主观能动性和思维创新性，并最终提高学习效果和教学质量。

关键词：数字电路；专题式；教学体系

引言

“数字电路”课程是电子类及相关专业的核心基础课程之一，它包括数字电子系统中的基本逻辑理论、基本逻辑电路、基本逻辑电路分析设计方法以及数字信号和模拟信号之间的相互转换原理等。电子类及相关专业的学生只有通过对“数字电路”课程系统地学习才能对“数字电路”系统建立初步的概念，并为综合电子线路、微机原理和EDA等后续课程提供重要的理论和实践基础。因此，“数字电路”课程在电子类专业及相关专业的课程体系中具有重要的承前启后作用。

目前，国内高校的“数字电路”课程教学包括课堂教学和实验教学两部分。其中课堂教学一般为48学时，实验教学为16学时，课堂教学和实验教学以分开授课的方式进行。在课堂教学的过程，教师自始至终为主导者，从前至后讲授课程包含的全部内容。首先，这种传统灌输式的教学方式不能充分调动学生的主观能动性，使得学生对知识的索取完全处于被动状态，长此以往，导致学生的学习兴趣低下、思维活跃性差、依赖性强；其次，这种循序渐进的教学模式往往忽略了知识之间的内在联系，导致学生在学习的过程中囫囵吞枣，从而使得学生对知识缺乏系统整体性认识，往往抓不住重点。最后，实验和理论课程分开进行，容易导致理论和实践脱节，从而导致实验课程对学生实践动手能力的培养达不到预期效果。

然而，随着现代教育教学技术的不断发展，国外大部分高校已经不再采用这种传统的教学模式，它们在大部分的课程教学过程中，均采用专题式教学方法。在专题式教学过程中，老师将讲授课程按专题进行，老师讲授、学生自我学习和师生互动的时间比例约为1:1:1。在国内，许多文科类课程［1，2］和少了理工累科课程［3，4］已经开始了专题教学模式的探索，并取得了良好的教学效果。因此，为了进一步提高“数字电路”课程的教学质量和教学效果，本文从“数字电路”课程的教学改革探索出发，构建专题式“数字电路”教学体系，并在此基础上对课程的组织和教学进行设计。

一、专题式教学体系的构建

“数字电路”课程基本上涵盖了复杂数字系统中的逻辑运算理论和基本单元电路模块。构建一个复杂的数字系统就如同建设一幢高楼大厦一样，它需要添砖加瓦。因此，为了进一步明确该课程所要讲授的内容，本文以功能不同的单元数字逻辑电路为出发点，以构建复杂数字系统为宗旨，将“数字电路”的主要教学内容进行了专题化，构建了如图1所示的七个专题。

图1　专题和学时构成

专题一为逻辑函数及其电路实现。在传统的“数字电路”教学中，逻辑函数及其基本理论主要包括逻辑函数的表示形式及其转换、逻辑函数的公式法化简和卡诺图化简等。门电路主要介绍基于CMOS和TTL两种类型基本门电路、特殊门电路（如三态门、OC门和OD门）等的构成及其输入输出特性。由于两个章节的内容分开讲授，除了基本逻辑运算之外，两个章节没有较强的关联。尤其是当讲授完逻辑函数及其化简进入门电路章节的学习之后，许多学生感觉又回到了模拟电路时代。众所周知，模拟电路课程在大学期间往往是比较难的课程之一，由于大家的这种感觉往往会加深学生对“数字电路”课程的畏惧感，从而导致部分学生的学习兴趣锐减。为此，将逻辑的基本表示方式及其转换与门电路联系起来可以有效改善这种局面，从而让学生明确同一逻辑在进行表示和电路实现的时候，表示形式和实现电路均不唯一，并进一步充分发挥学生的主观能动性，让学生采用各种不同的门电路对同一逻辑函数进行实现。

专题二为组合逻辑电路及其应用。很显然，逻辑函数的化简就是为了在后续组合逻辑电路和时序逻辑电路设计时得到最简电路做准备的。因此，为了将组合逻辑电路的分析和设计与逻辑函数的化简结合起来，在这个章节中讲授逻辑函数的化简。然后统一介绍常用中规模组合逻辑电路及其应用。因为译码器、加法器以及数据选择器、比较器等电路都是非常成熟的电路，在原理上讲解太多只会让学生觉得枯燥无味，因此需更注重电路的使用和应用。

专题三为时序逻辑电路及其应用，是“数字电路”课程的难点和重点。常规“数字电路”教学中，各种类型的触发器及其工作原理花了较多时间。实际上，在教学的过程中将时序逻辑电路的分析与触发器及其工作原理联系起来讲授，一方面可以让学生在具体电路中进一步了解触发器的作用和工作原理，另一方面更能让学生深刻理解现态和次态的概念，从而为时序逻辑电路的设计奠定理论基础。寄存器和计数器的原理相对简单，但是基于寄存器和计数器的应用电路设计非常灵活，为了充分启发学生的电路设计思维，需要注重各种设计方法的应用。

专题四位脉冲的产生及其应用。其实在模拟电路中就已经学过方波电路的产生方法，因此主要是让学生了解模拟和数字脉冲信号的区别，并基于此了解常用数字脉冲的产生方法和实用电路，如基于555芯片构成的施密特、单稳态和多谐振荡器等电路。

专题五为存储器及其扩展。在“数字电路”课本中，有许多关于常用存储介质及其原理的介绍，这些内容完全可以让学生在课下或课后根据自己的兴趣去了解。尤其是电类及相关专业的学生，他们在其他课程中往往都会学习到关于存储器及其原理的宏观或者微观理论。因此，作为“数字电路”而言，重要的是让学生充分认识存储器在数字系统中的重要性，尤其是存储器容量的确定和扩展。

专题六为A/D和D/A原理及其应用。首先A/D和D/A原理非常重要，它是数字系统和模拟系统的关键接口。因此，在学生了解A/D和D/A基本原理的基础上，需要进一步研究现有常用A/D和D/A转换方法和应用场合。

综上所述，本文的宗旨就是为了构建基于复杂数字系统单元电路的专题式教学体系，因此，在学生了解并会使用数字系统中的单元电路之后，分析和设计综合复杂的数字系统将是进一步提升学生综合能力的必要环节。基于此，专题七即综合复杂数字逻辑系统将会是学生学习从量变到质变的关键，并为学生电子电路综合设计等后续课程打下良好的理论和实践基础。

二、专题式教学体系下课程教学设计

传统教学主要以老师讲为主，学生的自我学习为辅的教学方法。然而，专题式教学是以学生的学习为主，老师的讲解、老师和学生的讨论为辅的教学理念。为此，为了体现专题式教学的先进性，就必需构建基于专题式教学的教学设计。如图2所示为“数字电路”课程专题式教学课程教学设计方案。图2所示教学设计以学生的学习为主线，在课内和课外学习过程中，以学生的自我学习为主，以老师的讲授为辅，并着重理论与实践的结合。

首先，讲授与自学结合。众所周知，在传统的灌输式教学过程中，老师一直是学生学习主宰，一种特别固定的模式就是老师的通篇讲授和学生课后做作业相结合的模式。显然，在这种传统教学模式中，学生完全处于被动状态。这种模式往往导致学生的学习兴趣低下、学习积极性差，并固化了学生的学习思维。专题式教学要求老师只是课程学习的领路人，在课堂教学中，老师只需要阐述基本概念、基本理论和专题的重点和难点，让学生在课堂自学和课后自学过程中有的放矢。

图2　课程教学设计

其次，理论与仿真结合。“数字电路”课程的重要特征是该课程的基础性。基础性体现在它涵盖的内容都是数字逻辑系统中最基本的单元电路，所有的电路元件及模型都能在常用电路仿真软件中找到，使得“数字电路”的设计和仿真很容易开展。

再次，理论与设计性实验相结合。“数字电路”课程的另一个重要特征是其实践性强，在课程教学中必需采用理论与实验结合的教学方法。它的实践性体现在“数字电路”课程中所讲授的基本电路就是常用中规模集成电路，它们在常用数字逻辑系统设计中已经得到了广泛应用。因此，基于这些常用“数字电路”的应用电路设计及其实验不仅可以提高学生的动手能力，而且可以充分发挥学生的主观能动性、开拓创新思维。

最后，师生讨论与网络互动结合。学生在接触新的知识过程中不可避免存在对知识索取的盲目性，从而导致对知识的理解和应用抓不住关键。基于此，老师作可以在课堂讨论和课后讨论中起到至关重要的领路人的作用，需要让学生的学习目标明确、抓住知识的重点和难点，并建立知识间的内在联系。同时，随着现代通信技术和互联网技术快速发展，老师和学生的交流渠道和交流形式更加灵活和有效。“数字电路”课程专题教学过程中存在许多电路设计和仿真分析，师生交流不仅需要语言文字交流，还需要图形界面交流。因此，利用互联网进行图文并茂的交流方式可以大大提高交流的效率。

总之，专题式教学虽然可以彻底改变传统教学方式的种种弊端，但是只有通过明确的课堂设计，才能明确课堂组织方法，并最终提高专题式教学的效果和效率。

三、结论及展望

“数字电路”课程是电子类及相关专业的核心基础课程之一，该门课程对学生电子类知识结构的构建和后续课程的学习均具有重要的理论和实践意义。传统的灌输式教学严重影响了学生的积极性和主动性，本文构建的专题式“数字电路”课程教学以学生的自主学习为主线，并建立了针对“数字电路”课程的专题式教学教学组织形式，从而充分发挥了学生在学习过程的主观能动性和创新思维，提高了学习的效率和效果。专题式“数字电路”课程教学设计在构建的过程中始终以学生自主学习为主，以教师的辅导和讨论为辅，因此，怎样科学合理地评价学生的学习也是需要进行进一步深入研究的问题。

参考文献

［1］凌小萍.马克思主义基本原理概论课专题式教学的尝试［J］.教育探索，2012，249（3）：129-130.

［2］袁宏.论高校通识课程的专题式教学［J］.当代教育科学，2014，15 ：22-27.

［3］苏红.“激光原理”课程的专题研究性教学方案探讨［J］.电气电子教学学报，2011，33（3）：34-35.

［4］吴明赞.“工程电磁场”课程的专题研究性教学模式［J］.电气电子教学学报，2011，33（3）：8-11.

Abstract:The Digital Circuit is a basic core course of electronics and other related majors，which plays pivot roles among curriculum system. Students are more motivated and initiative taught by means of practical mode than by traditional theoretic mode. Therefore，a new thematic teaching system for the Digital Circuit is constructed in this paper with purpose of improving the activeness and innovation of the students，and in turn the learning effectiveness and teaching caliber will be promoted systematically.

Keywords:Digital Circuit；thematic mode；teaching system

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：2096-000X（2016）11-0076-03

*基金项目：2015年湖北大学教改项目（面向电子科学与技术产业计划专业构建基于过程监控与评价的专题式数字电路课程教学体系研究）资助

作者简介：沈谅平（1976-），男，博士，副教授，从事电子基础理论教学、新型纳米电介质和电力设备在线监测研究工作。