计算机专业“电路与电子技术基础”课程改革实践

徐朝农， 张 晔

(中国石油大学(北京) 计算机科学与技术系， 北京 102249)

0 引言

近年来，计算机和通信网络技术的迅猛发展，使得高等院校计算机科学与技术专业教学计划中不断涌现出有关计算机应用方面的新内容，如深度学习、社交网络等。这对扩宽学生的视野不无裨益。相对而言，专业基础课由于离应用相对较远，课程内容相对繁杂。以“电路分析”、“模拟电子技术”和“数字电子技术”三门课程为例，这些课程的理论知识抽象难懂，教材篇幅庞大，内容繁多，加上有些学生认为这是电子工程专业专属课程，和计算机专业没关系，造成了教师难教、学生不愿意学的现象。然而，毫无疑问的是：这些教学内容是计算机专业课程学习所必需的专业基础，也是学生今后向深层次发展必备的基础[1]。如何克服上述困难，就必须解决这些课程教与学之间的矛盾，这些课程的教学和实验改革势在必行[2]。

1 教学内容改革的具体内容

对于计算机科学与技术专业来说，由于学科前沿不断发展，留给基础课程的教学课时不断被压缩，课程的关联性也因此越来越难以被学生领悟，导致学生不得其要领。以我校计算机专业为例，目前唯一的硬件基础课“数字逻辑”在大二学生中开设，占有48个课时，并且其起点就是0、1逻辑运算，但并没有介绍对0、1逻辑运算的实现，这导致学生不能理解0、1的电学本质，后续的硬件课程内容成为无根之木。

鉴于此，我校计算机专业增设了48个课时的“电路与电子技术基础”课程，以完成从大学物理电磁学为起点到0、1逻辑运算的实现过程为终点的教学内容的贯穿。如何在这么少的课时内涵盖这些基础内容，并且让学生学明白、有感悟，并进而产生学习的兴趣，这首先需要合理地规划教学内容。

我们对该课程教学目标定位为：让学生明白门电路的实现原理，切实感受到0、1逻辑与逻辑运算并不是一个空洞的概念，是可以真实地通过电路来实现的。以此为根本，课程的核心内容则为典型的与非门电路的结构原理，而为了讲清楚这核心内容，基于三极管的基本放大电路就成为重点内容，从而，电路理论中的直流和一阶RC电路的内容则是必须的。因此，这三部分的内容就构成课程的教学内容。

根据多年来从事计算机硬件教学、工程开发和科学研究的经验体会，并参考国际上类似课程的教学理念，我们提出在“电路与电子技术基础”课程教学内容上“重体系、删高频精低频、重数字接口”的改革思路[3]。具体如下：

1)重体系

立足专业体系的健全是课程内容设置的根本指导原则。作为一门专业基础课，只有突出课程在学科体系中的作用和地位，以此为抓手来进行教学，才能让学生学知其然。参考美国MIT“电路与电子学”课程中的做法，从信息学科工程的角度来说，其出发点是麦克斯韦的电磁场方程，并由该方程导出基尔霍夫定律，从而由物理世界进入信息世界。“电路分析”从“路”的角度介绍了理想元件组成的基本电路的分析方法，“模拟电子技术”则介绍对使用典型的电子元件，如二极管、三极管、MOS管这些实际元件所构成的电路的分析方法。当然，这些分析方法是建立在对这些典型电子元件的电路级模型的基础上的。“数字电子技术”则在于如何约束模拟电路的连接方式，使得其输入、输出均为数字信号，它是该课程的根本归宿。经过这三部分内容的学习，学生将从信息学科的角度在一定程度上了解了大学物理学的地位和作用，也感受到了数字世界的方便性的根源。所以，在我们的“电路与电子技术基础”授课过程中要不断反复地突出这三部分内容在信息学科中的地位和作用，从专业体系上逐步培养学生批判性学习的意识和素养。

2)删高频精低频

这个原则主要是针对电路理论这部分内容而言的。计算机专业毕业生可能会从事软件的开发，也可能会从事硬件的开发和研究工作，但从事强电、微波系统开发的可能性不大。因此，这部分教学内容不强调“全”，而强调“用”。在我们的教学计划中，我们选取了直流电路、一阶RC电路这些低频电路必须的理论作为教学内容。而其他内容，如RLC二阶电路、三相电路分析、端口网络、传输线这些内容则不再讲授。之所以这样选择，完全是我们的课程目的，即掌握0、1逻辑及逻辑运算的电学实现而决定的。

所谓“精低频”，并不只是在课程内容上偏重于低频电路，更重要的是把电路理论在模拟电子技术学习中很好地应用起来。多年的教学实践发现：学生普遍觉得电路理论好学不好用，模拟电子技术则不好学也不好用。笔者认为：问题的根源在于电路理论和模拟电子技术实践的脱节。以模拟电路的交流通路为例，学生经常发生困惑的一个问题就是在建立交流回路时，为什么可以认为电源是短路的。其实，教师只要在这部分内容的授课时提一下电路理论中的叠加定理的作用，学生就会恍然大悟。因此，启发学生深入思考一些表明上看起来很简单却很难解释清楚的问题，会非常有利于让他们领会电路理论和模拟电子技术这两部分内容的关系。这就是“精低频”中精的含义。

3)重数字接口

这个原则是针对数字门电路部分的。主要是考虑到我校的“数字逻辑”课程重点强调逻辑特性，而非电特性却不作为授课内容。因此，对这部分教学内容，一方面要强调如何从普通三极管放大电路过渡到数字门电路的实现原理，另一方面更要重视门电路的接口电特性，如拉电流、灌电流、OC门、高阻等概念的电路学根源，尤其是其中能描述这些概念本质的数学推导。其目的在于告诉学生为什么会产生这些概念，如何去合理地使用门电路，而不是孤立地停留于逻辑层面上。因为这部分内容在后续的“计算机组成原理”、“计算机接口”技术可能中都会使用到，因此也是必需的教学内容。

在具体的教学内容上，课程中电路理论部分的授课内容包括直流电路、一阶RC电路。一共16个课时。模拟电子技术部分的授课内容包括半导体二极管及应用电路、半导体三极管及应用电路和MOS管放大电路。一共19个课时。数字门电路部分占7个课时。剩余6个课时为实验。笔者认为：模拟电子技术的内容可以根据教学学时总数进行适度扩充，例如：对称放大、运算放大器也是实践中经常要使用的内容，可以适当介绍。

2 实验改革的具体内容

实验是“电路与电子技术基础”课程中非常重要的部分。其根本目的在于对教学内容的巩固[4]。我们一共设置了三个课堂实验和一个自学性实验。具体实验内容如下表：

序号实验项目名称主要内容实验学时1一阶、二阶动态电路观察一阶、二阶电路的动态过程22晶体管共射极放大电路学习放大电路静态工作点的调试方法23TTL 与非门参数测试及逻辑功能的检验对与非门传输特性的测量、逻辑电平验证24基于MultiSim的电路仿真学会使用MultiSim软件并进行仿真自学

显然，针对每部分的教学内容有一个实验与之对应。最后一个自学实验主要是让学生掌握用计算机软件进行实验模拟的方法，这样可以对一些课程作业内容进行自我检查。如果教学时间充裕，还可以增加关于运算放大器的实验。

3 结语

“电路与电子技术基础”是我校增设的一门专业基础课程，首次在14级开课，并在15、16级中持续进行了内容的调整。通过这一摸索过程，学生至少有三个收获。①初步培养了从学科角度看待课程内容的习惯，从而理顺了后续每门主干课程的任务。②学习方法上更加科学化，不少学生开始抛弃不求甚解的毛病，追求精益求精。③学生的动手能力得以增强。

事实上，没学习过“电路与电子技术基础”课的13级学生，在四年级学习“硬件综合设计”课程中遇到了问题，发现他们不会从硬件根源上寻找解决办法，而14级及其后的学生们在调试过程中遇到问题时，已经敢于用示波器去测量并思索原因了，这充分说明他们已经开始学会结合硬件结构进行编程了。此外，2016年本课程教学评分位于全校前10%，也充分说明了改革的有益效果。