“新工科”背景下逻辑门电路的教学方法研究与设计

齐 琦，刘 艺，蒋先伟，张忠祥

(1.合肥师范学院 电子信息与电气工程学院，安徽 合肥 230601；2.合肥师范学院 计算机学院，安徽 合肥 230601)

“新工科”是教育部自2017年以来积极推进的建设理念[1]，它要求地方高校培养拥有较强行业背景知识、工程实践能力，能胜任行业发展需求的应用型和技术技能型人才，能够对区域经济发展和产业转型升级发挥支撑作用。当前，就电子信息大类而言，无论是“卡脖子”的集成电路行业，还是迅速增长的5G产业，其核心竞争力提升都离不开数字技术的发展，而“数字电子技术基础”是该技术相关知识系统建立的关键环节。

“数字电子技术基础”在电子类专业的知识体系中具有承上启下的纽带作用，是从模拟电路学习到数字电路学习的过渡环节。它将“电路分析基础”“模拟电子线路”等课程中具象的电流、电压等物理量抽象为以“0”和“1”表示的逻辑状态，将关于物理量的数学运算转变为关于“0”“1”的逻辑运算，为后续“单片机技术及应用”“EDA技术与VHDL”等数字技术重要课程奠定了基础[2]。因此，如何改革“数字电子技术基础”课程的教学模式使之契合“新工科”理念，培养区域紧缺的数字化人才，是地方高校亟须解决的问题。

1 “1331”模式探究

为切实贯彻“新工科”理念，提升“数字电子技术基础”课程的教学质量，笔者曾提出一种“1331”教学模式改革方案[3]，即从支撑区域经济发展和产业转型的教学目标出发，选择与之适应的理论知识、仿真技术和研发基础三类教学内容，并分别辅以相应的教学手段，最后以一个具有区域产业背景的综合型实践项目完成课程考核，打造如图1所示的改革闭环。在具体执行中，根据合肥地区人才需求情况，将教学目标设置为培养FPGA初级工程师；围绕目标精炼理论知识并增加逻辑电路仿真和Verilog编程开发作为教学内容；不同内容分别采用适当的教学手段，如传统方式(多媒体、实验箱等)、软件仿真(MATLAB等)和FPGA开发板(Xilinx等)；考察相关企业(如科大讯飞等)需求，设计包含导向性的综合型实践项目，如I/O串口设计、矩阵计算器设计等，建立丰富的项目库，实现对学生的全面考核。

图1 “1331”模式图解

“1331”教学模式强调了“新工科”对接区域发展、把握企业需求的重要思想，对教学内容删繁就简并增加了符合区域特点的新知识、新技能；结合各类辅助手段提高教学效果；以项目考核方式引导学生服务地方的发展方向。在前期教学实践中，该模式获得了良好的教学评价，但同时也显现出了所存在的问题：(1)在当前的课程教学中，对数字电路的分析往往仅限于实现其逻辑功能，而不涉及电路结构和运算原理，容易与前置课程知识的脱节，不利于学生对数字技术的深入理解和创新能力的形成；(2)在讲授行业背景知识时，引入方式不合理，只谈现状而不解释其形成原因，导致学生难以将新知识和课本内容相互印证，造成了“不知其所以然”的窘境。

为妥善解决上述问题，培养合格的“新工科”人才，在“1331”框架下针对不同知识点设计适宜的教学方法，如创设知识衔接点、增加行业背景的引入情境等，将是一种有效方案。研究以逻辑门电路的教学为例进行详细设计与分析。

2 逻辑门电路的教学方法设计

逻辑门电路是数字电路中执行逻辑运算的基本单元，对其深入了解，有助于学生完成具象“模拟”到抽象“数字”的思维转换，是数字技术学习的前提[4]。为实现该内容与前置“模拟电子线路”课程知识的高效衔接，应采用模拟电路的分析方法分析其逻辑运算的执行过程。同时，应结合MATLAB软件中的Simulink模块进行验证[5]，加深学生对逻辑门的理解。

为方便描述，仅以“与门”为参考，图2(a)为其逻辑符号。在目前的教学中，对其介绍常常仅指出输出Y和输入A、B间的“与”逻辑关系，如表1所示，即输入全为“1”时，输出才为“1”。若与模拟电路内容衔接，则应介绍如图2(b)所示的二极管与门电路结构，并对其电气特性进行分析。在该电路中，设供电电压VCC为5V，R为提供分压功能的上拉电阻，D1、D2是导通电压为0.7V的二极管。若设输入端A、B的高、低电平分别为3V、0V，可知：(1)当A、B端的电压为均为0V时，D1、D2均导通，此时输出端Y的电压为0.7V；(2)当A端电压为3V，B端电压为0V，则二极管D1截止，D2导通，此时Y端电压为0.7V；(3)当A端电压为0V，B端电压为3V，则二极管D1导通，D2截止，此时Y端电压为0.7V；(4)当A、B端的电压为均为3V时，D1、D2均导通，此时输出端Y的电压为3.7V。将四种情况列于表2，此时，若规定大于3V为状态“1”，小于0.7V为状态“0”，则表2与表1一致，获得正确的与逻辑关系[6]。

图2 与门

表1 与门真值表

表2 二极管与门输入输出电压表(单位：V)

在教学中，通过上述分析可使学生将逻辑运算及其所蕴含的模拟电路知识融会贯通，领悟逻辑状态是电压等物理量的抽象化表示。同时，为加深学生的理解，在“1331”模式下还需引入仿真技术，使学生对理论知识形成直观感受。通过调整仿真中的各项参数，还能提高学生的主观能动性，拓展其思维。研究采用MATLAB软件中的Simulink模块对二极管与门电路进行仿真示例，其仿真电路如图3，各端口电压如图4，二者验证了表2中的理论数据。

图3 二极管与门仿真电路图

图4 输入输出电压波形图

在介绍二极管门电路后，为引入如目前集成门电路的主流制作方式等行业背景知识，就需要对二极管门电路的缺点进行分析以创设教学情境。笔者设计了一种3级二极管与门的级联实验，其电路如图5。根据“与”逻辑定义，3级与门的输出状态应分别为：Y1=“0”，Y2=“0”，Y3=“0”。对该级联电路进行仿真验证，得到输出端Y1、Y2、Y3的电压如图6，各端电压均小于3V，即状态不为“1”，满足“与”逻辑关系。但值得注意的是，相邻两级输出的低电平总是相差0.7V，造成此现象的原因是二极管存在导通电压，如果将上一级与门的输出作为下一级与门的输入，将会产生电压偏移。

图5 级联与门仿真电路图

图6 各级输出电压波形图

在观察到此特殊现象时，教师不仅需要引导学生分析成因，还应鼓励学生发散思维。例如“与门的级联会造成电压偏移，若将图5中级数扩增至5级，其输出状态是否仍符合‘与’逻辑？”由相邻两级相差0.7V可知，第4、5级的输出电压分别为2.8V、3.5V，若仍延续大于3V为状态“1”的规定，则第5级与门的输出状态为“1”，不符合与逻辑关系。此外，若将二极管与门、或门电路进行对比分析还可发现，在输入端相同高、低电平的设定下，两者关于状态“1”的电压有着不同定义，联合使用时会难以统一标准。因此，二极管门电路不适宜用于大规模集成，也不能直接驱动负载。

在此情境下，则可自然地引申出当前集成电路行业的门电路构成形式：根据其内部有源器件的不同可以分为三类[7]，一类是双极型晶体管门电路，如TTL门等；一类是单极型MOS门电路，由NMOS或PMOS等场效应管构成；第三类由两者的组合(即BICMOS门电路)构成。其中，CMOS集成门电路具有功耗低、电源电压范围宽、集成度高等优点，已成为主导技术，占据了约80%的市场份额。

这种通过设计实验启发学生独立思考的情境创设方式，不仅传递了行业背景知识，还提高了学生自主探索的积极性，对“新工科”人才核心素质(如实践和创新等能力)的培养有着积极意义。

3 结语

研究针对“新工科”背景下“数字电子技术基础”课程的“1331”教学模式进行探究，陈述了其在教学实践中存在的问题，并给出了相应的改进方案。以二极管门电路为例进行教学设计，实现了从电气特性计算到逻辑状态分析的无缝衔接。通过创设情境合理引入行业背景知识，提升了教学效果，进一步落实“新工科”建设理念。