新工科教育背景下“数字电子技术”课程教学改革与实践

胡玉霞 邵 慧 金海红 窦 艳

安徽建筑大学电子信息工程学院 安徽合肥 230601

1 概述

数字电子技术作为一门电子信息类专业的专业基础课，通过本课程的学习，学生可以掌握数字电路的基本原理、分析设计方法、基本实验技能，并将所学专业知识用于解决实际工程问题，以培养学生未来能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力。

数字电子技术这门课具有公式多、电路多；逻辑性、工程性和实用性强；技术更新快等特点。学者们通过理论[1-4]或实践[5-7]方面对该课程进行教学改革与实践，取得良好的教学效果。但与“新工科”建设实用性和综合性课程发展要求，以及高等教育教学倡导的“立德树人”培养目标仍存在一定差距。目前课程教学存在如下问题:

(1)学生课程目标不够清楚，对课程重视不够；

(2)教学内容主要讲授专业基础知识，很少融入课程思政教育；

(3)教学方法过于单一，难以激发学生课堂教学参与度和学习兴趣；

(4)单纯利用课堂教学，对抽象理论知识缺少直观的感受；

(5)仅有理论与实验教学，学生缺乏对复杂数字系统的设计、仿真和实现的能力。

因此，本文将针对上述问题对数字电路课程进行改革与实践。

2 重视绪论课的讲授，让学生了解课程的重要性

学生第一次接触该课程，对课程的认识比较模糊。教师在第一次绪论课时，首先让学生认识到数字电子技术课程在本专业培养方案的位置和课程目标。当介绍课程研究对象、课程任务和研究方法时，可以与模拟电子技术相关内容进行对比讲解，加深学生对数字电子技术课程的认识(如下表所示)，进而说明该课程具有逻辑性和实用性强的特点。

数字电子技术与模拟电子技术课程特点对比表

介绍课程的教学内容时，为了激发学生学习兴趣，引导学生列举身边常用数字系统，如计算机、手机和数字电视等电子产品，紧接着提出问题，这些数字系统与数字电路有什么关系？然后通过动画视频(最终展示如图1所示)将一台计算机不断拆解，得到了计算机最底层逻辑电路。通过上述讲授与演示，学生可以明白数字电子技术课程的主干内容和理论体系的脉络走向，整个课程是从晶体管→逻辑门电路→组合逻辑电路→时序逻辑电路→复杂的数字系统的学习过程。总之，认真讲好绪论课，激发学生学习热情，根据课程特点帮助学生形成良好的学习方法，是实现教与学的良好开端。

图1 复杂数字系统内部分层拆解流程图

3 在教学内容中合理融入课程思政元素

为了实现高等教育教学提出的“立德树人”培养目标，在讲授课程相关知识时，合理引入思想政治教育。如在讲授电子技术发展历程时，学生认识到随着时间的发展，电子电路呈现集成度高增长趋势(如图2所示)，出现了集成电路，为了适用集成电路所需要的复杂电路功能，产生了一种新技术EDA(Electronic Design Automation)。因此，这部分知识介绍使学生认识到在学习这门课时，可以通过理论学习掌握数字电路的基本分析和设计方法，但在完成复杂数字电路分析与设计时，需要借助EDA等辅助工具，同时让学生懂得发展史背后科学家们不断创新、勇于追求真理的科学精神，并体现科技对社会发展作出的贡献，激发学生对专业的认同感和社会责任感。

在“逻辑代数卡诺图化简”教学中，在验证学生学习效果时，给出一个表达式，让同学们各自利用卡诺图进行化简结果展示(如图3所示)，得出“同一个逻辑表达式，采用卡诺图化简，其化简结果不唯一”的结论。通过该例题引导学生明白尽管解题答案不一样，但得出结论都是合理的。因此让学生树立信心，独立自主地完成老师布置的任务，培养学生求真务实的品质。

图2 1975—2010年份硅晶片上晶体管数量变化 图3 逻辑代数卡诺图化简结果对比

课程思政教育作为今后高校教育教学的重要组成部分，它对培养学生专心致志、诚实守信和追求真理等优秀品质和实践创新能力具有重要意义。因此，作为一线的教师，后续课程教学中将不断增加合理思政元素，使学生在学习专业知识的同时明白做人做事的道理。

4 采用线上线下混合式教学—考核方式

课堂教学的学习软件(腾讯会议、学习通、雨课堂和学堂在线等)不断涌现，为高校教师提供了更多的教学方法。课堂教学中，为了调动学生学习的积极性，教师教学中借助学习软件的一些功能(考勤签到、资料共享、作业批改、课堂互动、视频发布等)，达到节省学生课堂时间，提高学习效率的目的。如讲解“数电”中不同进制数的转换问题，首先采用PPT或黑板板书将知识直观传授给学生，然后利用学习通等软件发布与之相关的选择题，学生现场解答，教师通过学习通能够看到该题解答准确率，了解全班学生对知识点的掌握情况，进而调整教学进度，提高教学质量。

关于课程考核，“数字电路技术”考核分为平时成绩和期末成绩，平时成绩占有一定比重，包含课堂互动、过程测试、仿真演示等多个环节，避免出现“一次期末考试论成败”的现象，实现“数字电路技术”考核全面性、合理性。例如，讲完组合电路设计后，为督促学生及时复习学习过的知识，增加章节测试，利用教育软件(学习通)创建试题库，课堂临时测验，要求学生需在规定时间内完成答题，测试完系统批阅客观题，教师批阅主观题，并针对测验结果给学生讲解分析。总之，让学生意识到学好“数字电路技术”这门课，不是通过期末“一套试卷”的测试就可以完成，它需要课前预习、课堂学习研讨和过程测试等多个环节的参与才能达到。

5 引入仿真软件辅助课堂教学

为了加深学生对数字电路功能的了解，引入MATLAB/Simulink[8]、Multisim等软件辅助教学，形成直观可视化教学。以“组合逻辑电路和时序逻辑电路分析与设计”为例，可以用Multisim软件来进行仿真和演示。

组合逻辑电路分析步骤：组合逻辑电路→逻辑表达式→最简表达式→真值表→确定电路功能。教师上课仅理论讲解，学生可能觉得枯燥无味。下面利用Multisim软件实现上述过程：打开软件，画好需分析的电路图，在虚拟仪器列表中找到逻辑转换器，将电路图的输入、输出端连接到逻辑转换器的引脚，得到组合逻辑电路；打开逻辑分析仪，利用仪器上功能按钮得到真值表、逻辑表达式(最简式)，进而确定其电路功能(如图4所示)。

图4 数据选择器构成组合电路的仿真演示图

图5是74LS160(十进制同步计算器)设计六进制计算器的仿真电路图。可以看出，图中数码管数字动态从0变化到5，当数码管记到5时，又返回到0。仿真结果直观显示出六进制计算器，加深学生对任意进制计算器设计方法的理解，该软件同样可以对复杂数字电路进行仿真演示[10]。可见，仿真软件辅助课堂教学的同时可以帮助学生更好地理解数字电路专业知识，并激发学习兴趣。

图5 六进制计算器仿真电路图

结语

本文对新工科背景下的数字电子技术课程进行教学改革，将教学内容融入课程思政元素的教学设计，采用线上线下相融合教学手段，通过仿真软件对课堂讲解电路进行仿真演示，并建立理论、实验和课程设计相结合课程体系，提高教学质量，培养高素质复合型人才。目前，该课程教学改革已初现成效，一方面，与教学改革前相比，学生课堂参与度明显提高，平时成绩和期末成绩都比未实施改革前的成绩有了明显提高；另一方面，课程结束后，学生对教师进行学评教的分值也有一定上升，促进了教师教学水平的提高，使得教与学形成良性循环。未来本课题组将进一步对数字电子技术课程教学进行经验规范化，以期形成一套完整的教学方法。