培养工科思维的数字电路教学方法研究

张静

（浙江警察学院 计算机与信息安全系，杭州 310053）

0 引言

数字电路是信息技术（Information Technology，IT）类专业中电学的核心基础课之一，在课程体系中有些重要的支撑作用[1，2]。然而，随着IT技术发展趋势的不断变化，尤其是电子设备的模块化程度的不断提高，毕业生在IT企业直接用到数字电路知识的机会越来越少，以至于很多学生产生了数字电路对于工作和深造等没有太大帮助的看法。另一方面，学习过程中，很多学生只是记得理论课中讲逻辑函数和逻辑电路的分析与设计方法等，然后实验课就是跟着老师用芯片搭电路，导致学到的理论知识无法灵活应用，一旦有拓展内容的实验就无法独立思考完成[3]。

针对数字电路教学中存在的问题，任玲等提出了一种多元化的教学方法，包括对教学设计的改进、内容拓展和在实验课中使用差异化的方式[4]。纪萃萃采用项目驱动法，以实际案例为核心来带出相关的理论知识[5]。贾绍芝等提出了新工科和工程认证背景下数字电路的教学改革，对课程内容进行优化，加入网络课堂等[6]。

事实上，笔者在近年来的教学过程中发现数字电路其实非常适合锻炼学生的工科思维方式，从实际问题出发，深入分析后建立数学模型，基于已有知识推理找到合适的方式解决问题。可以说这种思考和解决问题的方式是贯穿在大多数工科专业的课程学习中，如果能够尽快掌握和理解，那么对于后期各方面发展，包括学习其它课程、日后做科研或者工作都有很大帮助。此外，数字电路的课程安排相对较早，复杂程度也不是很高，所以非常适合在低年级培养学生的工科思维。

因此，本文提出一种数字电路教学方式，就是注重从实际问题到数学模型再到电路设计这种思维的培养，在教学过程中把这三者紧密联系在一起，这样可以非常有效地提升教学效果，使学生学东西不再死板，思考和解决问题的能力得到提高。

1 工科思维培养

工科思维以逻辑为手段，以科学知识为基础，以应用技术为条件，以实际应用为目的，在工科专业的学习中锻炼这种思维非常重要。本质上来说它是一种思维习惯，以实现最终的目标为出发点，通过本身的知识结构和逻辑推理来找到解决方案，非常重要的一点就是如果在推理过程中发生自身知识的缺失，要能够准确地找到并进行补充，这一过程通常是反复进行，直到实现目标为止。

数字电路蕴含着工科思维的各个方面，而且每一部分都不难掌握，所以非常适合培养工科思维。首先它有一套独立的理论基础，也就是逻辑代数。相对于其它数学工具而言，逻辑代数比较容易掌握。此外，逻辑问题的建模，逻辑电路的分析与设计方法也不是很抽象，基础知识掌握了以后，甚至可以自学深入的部分。其次，常用的逻辑器件，包括门电路、译码器、数据选择器、触发器和计数器等，都能够通过正常的课程学习掌握。实验课中也可以掌握基本的仿真和电路调试技巧，并看到一些实际应用的场景。

通过让学生在学习过程中看到上述某一方面就去联系其它的部分，经常进行逻辑推理，以及综合性的设计类实验来锻炼工科思维，比如数据选择器，当系统需要在多个模式下切换的情况下就可以用到，此时的选择输入端就可以作为系统模式的控制端。设计一些有针对性的综合性实验可以非常有效地提高思维和实践能力，以下通过一个例子来说明。

2 教学示例

通过笔者在教学过程设计出的一个例子来阐述上述教学方式的基本思想。设计一个两位计数电路，对于一个任意给定的数0＜=X＜=99，使得其可以按X-＞X+1-＞X-＞X-1-＞X的规律计数。

2.1 分析过程

可以看出该例的实际效果是以X为中心，加减1的循环计数，容易想到的是用双向计数器来实现。通过基础知识的学习，学生已经掌握了单向计数的方法，但要实现该功能，除了掌握基本知识外，必须要具备独立的分析和思维能力才行。

两片双向十进制计数器74LS192作为个位和十位数，分别记作1和2，芯片的所有输入信号和输出信号用下标1和2来区别。在向上和向下计数时，计数器1和2的时钟输入是不同的，如表1所示：

表1 计数方向不同时的控制输入

时钟输入CPUP1，CPUP2，CPDown1和CPDown2需要在向上和向下计数时能自动切换到相应的信号，在学过的逻辑器件中，数据选择器可以做到这一点。由于只有两种情况，采用二选一的数据选择器即可，此时选择信号S就可以用来控制向上和向下计数。

计数到X时触发改变计数方向可以通过计数器的输出连接一个反馈电路做到，常用的是与非门电路。但注意到这样的反馈信号只能持续一个节拍，因此计数只能是X-＞X+1-＞X循环计数。采用触发器可以增加节拍，T触发器具有有翻转功能，用反馈信号作为T触发器的时钟输入，则输出就可以作为控制信号，其时序如图1所示：

图1 时序图

通过上述分析，可以画出如图2所示的原理图，其中给出了一些关键信号，一些没有标出的部分可以参考仿真电路图。可以看出，实现本例中除了需要熟悉计数器、数据选择器和触发器的功能，更重要的是引导学生具备分析能力，只有这样才会在解决问题的过程中不断提高。

图2 原理图

2.2 Multisim仿真

在数字电路仿真中，Multisim是常用的中工具[7]。仿真电路图如图3所示，选取X=33，因此反馈电路可以由一个四输入的与非门连接输出组成，反馈信号F=

图3 Multisim仿真电路

也就是说只有在计数器计到33时，触发器电路才会收到一个下降沿，此时触发器输出C翻转，由于控制信号S=C，因此会导致下一时刻计数方向发生变化，即在X+1=34时向下计数，由于下一时刻又会到达33，使得计数方向再次发生翻转，即在X-1=32时向上计数，最终使得计数器在33-＞34-＞33-＞32-＞33的规律下循环。

Multisim仿真是检验问题求解是否正确的有效手段，学生可以简单的从数码管的数字显示中判断对错，直观又可行。若发现显示有误，引导学生查找出错误的原因，重新分析并设计电路，直到正确。

3 总结

本文探讨了在数字电路教学中着重培养学生工科思维的方法，从实际问题到数学模型再到电路设计和Multisim仿真，有机地联系这些环节，使整个学习过程形成一个闭环，有助于培养工科思维所需的思考习惯，并通过一个设计实例来阐述该方法的基本思想。