課程體系重構(gòu)的數(shù)字電路教學(xué)改革研究

數(shù)字電路課程是信息類專業(yè)的必修核心基礎(chǔ)課程，該門課程在整個(gè)專業(yè)課程體系中占據(jù)非常重要的地位。隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來信息化技術(shù)向教育領(lǐng)域的深度融合發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)方式在教學(xué)實(shí)踐過程中帶來的弊端也越來越明顯。對教師來說，教學(xué)方式大多還是采用講授法（即按教材逐章逐節(jié)的方式）進(jìn)行課堂教學(xué)，這種方式較為枯燥，學(xué)生接受程度不高，且課程實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)設(shè)置少，學(xué)生的思維廣度和深度受到限制。對學(xué)生來說，學(xué)習(xí)態(tài)度的惰性較為明顯，且由于課堂是按章節(jié)漸進(jìn)的方式進(jìn)行，學(xué)生往往能掌握某個(gè)簡單知識點(diǎn)，卻無法自己構(gòu)造整個(gè)課程內(nèi)容的知識體系框架。在碰到復(fù)雜電路系統(tǒng)的時(shí)候，學(xué)生無法從整體、協(xié)作的角度去看待問題，思維方式不夠活躍。如何在新形勢下抓住教育信息化帶來的機(jī)遇，深刻反思和改革課程教學(xué)，成為高校教育工作者需要正視和重視的命題。
1 相關(guān)研究工作
數(shù)字電路課程教學(xué)改革的命題提出由來已久，許多教育工作者都提出了自己關(guān)于這門課程教學(xué)改革的思路和實(shí)踐，主要集中體現(xiàn)在兩個(gè)方面。
在教學(xué)內(nèi)容上，探討前后銜接課程的內(nèi)容融合教學(xué)改革方面。提出將數(shù)字電路和EDA課程融合培養(yǎng)學(xué)生由基礎(chǔ)學(xué)習(xí)到創(chuàng)新應(yīng)用，逐步提高人才質(zhì)量的方式；通過建立知識地圖將模擬電路和數(shù)字電路聯(lián)系起來并通過Proteus引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。
在教學(xué)方式上，以改革實(shí)驗(yàn)條件為主，或采用仿真軟件或重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。提出采用“仿真分析—理論解釋—實(shí)例應(yīng)用”的教學(xué)方法、Multisim仿真分析和理論教學(xué)相結(jié)合的方式以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；提出將Multisim仿真軟件應(yīng)用到課堂教學(xué)中，利用其仿真能力和直觀形象的演示效果以提高教學(xué)質(zhì)量；通過設(shè)計(jì)一些可以觀察、驗(yàn)證的常用數(shù)字電路系統(tǒng)案例提出“反設(shè)計(jì)”教學(xué)模式，在分析現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)。
以上這些改革內(nèi)容大都從教學(xué)過程中的某個(gè)點(diǎn)切入，力求通過該點(diǎn)的改革和實(shí)踐改變數(shù)字電路課程的教學(xué)現(xiàn)狀。在新形勢下為適應(yīng)變化需要進(jìn)行更加徹底的課程改革，需要在更深層次、更大范圍對課程教學(xué)方式、教學(xué)方法進(jìn)行研究探討，這就需要對課程進(jìn)行體系重構(gòu)。
2 應(yīng)用型本科院校數(shù)字電路課程體系重構(gòu)的必要性
自2012年“慕課元年”以來，一大批優(yōu)秀的在線開放課程建立起來，現(xiàn)代化在線教育帶來豐富的在線教學(xué)資源，其中不乏名校名師的課程，學(xué)生可輕易從網(wǎng)絡(luò)平臺上獲取知識。線下的課堂如果還是以傳授為主的教學(xué)方式，不僅很難調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，也會與在線課程的教學(xué)形成強(qiáng)烈對比，學(xué)生有可能更不愿意在課堂上認(rèn)真聽講了。
智能化的新一代工業(yè)革命催生“新工科”，《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》對當(dāng)前工程教育提出新的要求，“要開展深化產(chǎn)教融合、校企合作的體制機(jī)制和人才培養(yǎng)模式改革研究和實(shí)踐”。產(chǎn)教融合、校企合作，對于應(yīng)用型院校基礎(chǔ)課程來說，就是在平時(shí)的教學(xué)中更加重視實(shí)踐的力量，更加注重在理論教學(xué)過程中對學(xué)生整體系統(tǒng)思維的開發(fā)和引導(dǎo)。
2017年1月，教育部辦公廳發(fā)布了2017年教育信息化工作要點(diǎn)，其中明確指出要“組織開展本科高校信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的課程體系重構(gòu)研究和實(shí)踐探索，推動(dòng)核心課程群建設(shè)與應(yīng)用，助推教學(xué)改革”。數(shù)字電路是傳統(tǒng)信息學(xué)科的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，我們要充分利用現(xiàn)有的信息教育技術(shù)，在課程基本核心知識點(diǎn)不變的前提下，探討如何重構(gòu)課程知識體系，使得在智能化信息化革命中以不變應(yīng)萬變，真正實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化。
3 基于課程體系重構(gòu)的數(shù)字電路課程教學(xué)模式
圖1是基于課程體系重構(gòu)的數(shù)字電路課程教學(xué)模式，該模式體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，著重在整個(gè)教學(xué)過程對學(xué)生興趣的培養(yǎng)、思維的培養(yǎng)以及技能的培養(yǎng)。

圖1基于課程體系重構(gòu)的數(shù)字電路課程教學(xué)模式
教學(xué)模式中將整個(gè)學(xué)習(xí)階段依次分為4個(gè)階段：扎實(shí)根基階段、感性接觸階段、知識歸納階段和鞏固提高階段。該模式以案例驅(qū)動(dòng)的方式讓學(xué)生獲得最基本的邏輯工具，然后以系統(tǒng)倒推的方式組織知識點(diǎn)。往常的課程內(nèi)容組織都是以章節(jié)為序最終才有完整的數(shù)字電路系統(tǒng)，此種教學(xué)模式反其道而行之，按照“系統(tǒng)整體—部分分解—提出問題—子部分知識—整體協(xié)作—知識歸納—課程框架”的逐層遞進(jìn)方式，力求在整個(gè)教學(xué)過程中充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力，幫助學(xué)生凝練課程核心概念和構(gòu)建課程知識體系框架。最后是分析一些特定環(huán)境下可能出現(xiàn)的特殊情況，引入關(guān)于電路的競爭冒險(xiǎn)知識和門電路的組成及選用，以讓學(xué)生通過鍛煉形成批判性思維。
3.1扎實(shí)根基階段
該階段主要是以案例驅(qū)動(dòng)的方式幫助學(xué)生獲得最基本的邏輯基礎(chǔ)知識，這些基礎(chǔ)知識包括真值表、邏輯表達(dá)式、最小項(xiàng)、無關(guān)項(xiàng)、公式法/卡諾圖法化簡、基本邏輯關(guān)系、基本邏輯門等。
在案例驅(qū)動(dòng)的過程中，可以是所有基礎(chǔ)知識點(diǎn)都用一個(gè)案例進(jìn)行分析，方便學(xué)生在對比中進(jìn)行知識的學(xué)習(xí)，而摒棄掉那些復(fù)雜多余的東西，如講到“最小項(xiàng)”這個(gè)概念時(shí)，除了指出2變量、3變量、4變量的最小項(xiàng)之外，還要指明最小項(xiàng)與真值表的關(guān)系、最小項(xiàng)與邏輯表達(dá)式的關(guān)系，關(guān)系如圖2所示。當(dāng)講到“卡諾圖”時(shí)，可以在之前的例子中再次建立卡諾圖與最小項(xiàng)、真值表和表達(dá)式之間的一一對應(yīng)關(guān)系。

圖2 邏輯代數(shù)中案例驅(qū)動(dòng)的例子
3.2感性接觸階段和知識歸納階段
從整體數(shù)字系統(tǒng)入手帶領(lǐng)學(xué)生感性接觸數(shù)字電路，將數(shù)字電路涉及的知識點(diǎn)用Multisim仿真軟件設(shè)計(jì)成各種實(shí)用有趣的數(shù)字電路系統(tǒng)，并將這些系統(tǒng)從簡單到復(fù)雜進(jìn)行排序組成系統(tǒng)序列。
針對每個(gè)系統(tǒng)依次進(jìn)行講解，分析各部分的工作情況，然后講解整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同工作情況，并抽象出系統(tǒng)中涉及的芯片及對應(yīng)器件的特點(diǎn)，這是感性接觸階段。在完成單個(gè)系統(tǒng)的感性接觸階段后，對該系統(tǒng)進(jìn)行歸納總結(jié)，如組合電路的特點(diǎn)、時(shí)序電路的特點(diǎn)、描述方法和工具，這是知識歸納階段。實(shí)施過程如圖3所示。

圖3 表明“搶答器電路”和“彩燈電路”兩個(gè)系統(tǒng)在系統(tǒng)序列中的教學(xué)流程。
從單個(gè)系統(tǒng)角度來看，以“搶答器電路”為例。首先，先在課堂上進(jìn)行電路整體工作情況的演示以引起學(xué)生的興趣。其次，對出現(xiàn)的芯片7400、7404、7420、74273分別進(jìn)行功能介紹和器件功能說明。如講到7400的時(shí)候，除了說明與非門的邏輯功能外，還要講7400芯片里面有4個(gè)與非門、輸入輸出情況、引腳情況；在講74273的時(shí)候，則要說明D觸發(fā)器的工作過程、與8D觸發(fā)器的關(guān)系、器件引腳等情況。最后，在講清楚各個(gè)部件的工作原理之后，再就整個(gè)系統(tǒng)工作過程，從輸入到輸出，針對每種可能情況，進(jìn)行仿真分析以鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)思維能力。如在“搶答器電路”，首先由主持人控制清零，然后由4位選手按下按鍵，誰按下發(fā)生什么情況和燈亮、燈不亮等情況要講清楚講明白。
在完成以上的感性接觸階段之后，以問題為導(dǎo)向進(jìn)行知識點(diǎn)歸納：在這個(gè)系統(tǒng)里碰到的組合電路7400、7404和7420，他們共同的特點(diǎn)是什么、輸入輸出的特點(diǎn)是什么、可以用在什么地方；74273跟前面3個(gè)有什么不同、輸入輸出特點(diǎn)怎樣。以類似這樣的問題，一步一步引導(dǎo)學(xué)生深入分析，最后得出組合電路的電路特點(diǎn)和時(shí)序電路的電路特點(diǎn)。
在完成一個(gè)系統(tǒng)之后，選取下一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，按照上面提到的方法迭代進(jìn)行。選取的系統(tǒng)由簡單到復(fù)雜，碰到的系統(tǒng)不同則器件不同，可歸納得到不同的電路特點(diǎn)。在適當(dāng)?shù)闹v解過程中，教會學(xué)生使用具體的描述方法和工具。所以，在這樣一個(gè)一個(gè)系統(tǒng)的感性接觸階段和知識歸納階段的迭代推進(jìn)過程中，關(guān)于組合電路特點(diǎn)、時(shí)序電路特點(diǎn)、各類器件的特點(diǎn)和描述方法與工具等這些知識是在層層疊加、逐漸深入的，學(xué)生的思維方式、分析電路的方式和方法也得到鍛煉。
在完成以上所有系統(tǒng)的分析之后，得到分電路的一般方法。接著以具體生動(dòng)的例子引導(dǎo)學(xué)生完成一般電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，按照“功能分解—分步設(shè)計(jì)—總體整合—模擬仿真—實(shí)物驗(yàn)證”的方式進(jìn)行，得出設(shè)計(jì)數(shù)字電路系統(tǒng)的一般方法。
3.3鞏固提高階段
以在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的實(shí)際情況為例引出關(guān)于電路的競爭冒險(xiǎn)問題以及消除險(xiǎn)象的方法。在實(shí)驗(yàn)室中用7400實(shí)現(xiàn)函數(shù)F=AB+BCD+ACD，取B=C=D=1，此時(shí)F=A+A，A接實(shí)驗(yàn)箱上的連續(xù)脈沖源，使工作頻率盡可能高，從而通過示波器觀察冒險(xiǎn)現(xiàn)象。然后，為此電路增加冗余項(xiàng)，觀察增加后示波器的波形情況。
對于門電路部分，以問題導(dǎo)向的形式使學(xué)生了解邏輯門電路的內(nèi)部構(gòu)造，結(jié)合模擬電路部分內(nèi)容，采用逐層遞推的方式，力求學(xué)生能夠掌握典型的與非門TTL門電路的內(nèi)部構(gòu)造。
通過以上措施，使學(xué)生更加深入地了解數(shù)字電路的門電路構(gòu)造、了解數(shù)字電路可能產(chǎn)生的毛刺等冒險(xiǎn)現(xiàn)象，教會學(xué)生在選用門電路器件的過程中要注重門電路器件的性能，設(shè)計(jì)邏輯表時(shí)要避免產(chǎn)生競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象，達(dá)到知識的鞏固與提高，提高學(xué)生的應(yīng)用和設(shè)計(jì)數(shù)字電路的能力。
4 構(gòu)建教學(xué)輔助平臺
4.1構(gòu)建信息化教學(xué)平臺
在圖1的教學(xué)模式下，顛覆傳統(tǒng)的知識灌輸方式，重要的概念需要學(xué)生自己在上課之前就要做好預(yù)習(xí)，因此必須為數(shù)字電路課程構(gòu)建一個(gè)開放的在線課程信息化輔助教學(xué)平臺，與課堂教學(xué)并行。在該平臺上，以傳統(tǒng)的“邏輯基礎(chǔ)—門電路—組成電路—觸發(fā)器—時(shí)序電路—電路系統(tǒng)”線路分章、分節(jié)、分知識點(diǎn)設(shè)置教學(xué)課件、教學(xué)視頻，方便學(xué)生隨時(shí)查看。同時(shí)，該平臺將課程的核心知識構(gòu)建起一棵課程核心知識樹，知識樹為每個(gè)知識點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)鏈接，學(xué)生能快速找到自己要搜索的相關(guān)資源，通過知識樹，學(xué)生能構(gòu)建起自己的課程核心知識點(diǎn)以及明確知識點(diǎn)之間的關(guān)系。
知識樹結(jié)構(gòu)如圖4所示。在該樹上，將課程涉及的核心知識都以樹干、枝干、果實(shí)、葉子的形式呈現(xiàn)出來，每個(gè)文字部分都是一個(gè)鏈接熱點(diǎn)，只要點(diǎn)擊一個(gè)位置就能進(jìn)入相關(guān)的知識內(nèi)容。知識樹的呈現(xiàn)方式，為學(xué)生構(gòu)建課程的知識體系框架。如通常學(xué)生都知道數(shù)字電路分為組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路，觸發(fā)器也是一個(gè)很常見的概念，那么對于第一次接觸的學(xué)生來說可能很快就會忘記它是屬于哪一部分的，但在這棵樹上能一目了然。再比如，“數(shù)字電路”涉及很多種不同的器件，如編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、寄存器、計(jì)數(shù)器等，這些器件歸于哪一類別，樹上的果實(shí)結(jié)點(diǎn)也一一標(biāo)明。課程有很多基礎(chǔ)邏輯知識需要掌握，在樹的樹干上也能找到對應(yīng)的入口。

圖4 信息化教學(xué)平臺知識樹結(jié)構(gòu)
通過該課程平臺，可以為老師和學(xué)生提供測驗(yàn)、作業(yè)、考試、答疑、討論等教學(xué)組織活動(dòng)，方便教師開展在線指導(dǎo)與測評。針對具體的單個(gè)器件特性和完整數(shù)字系統(tǒng)，平臺上還保存了大量仿真視頻，輔助學(xué)生理解各個(gè)不同的常用器件和數(shù)字系統(tǒng)。平臺設(shè)置討論區(qū)，學(xué)生可以就學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題與老師、同學(xué)進(jìn)行線上交流。
4.2構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺
2016年，《教育部關(guān)于高校深化教育教學(xué)改革的指導(dǎo)意見》提出要建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，全面推進(jìn)信息化實(shí)踐教學(xué)平臺建設(shè)，充分利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開放共享[9]。針對單門課程，也有建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的必要性。
強(qiáng)實(shí)踐性是數(shù)字電路課程的特點(diǎn)，在扎實(shí)理論知識的基礎(chǔ)上，一定量的實(shí)踐積累能讓學(xué)生更好地掌握該門課程的精髓。重構(gòu)后的教學(xué)模式，能極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)作思維，各種新奇想法和創(chuàng)新理念在學(xué)生的腦中閃現(xiàn)，設(shè)計(jì)思路需要在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中才能得到證實(shí)。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要還是以實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)器材為主，也有仿真軟件Multisim，但該仿真軟件不僅能用在數(shù)字電路上，也能在模擬電路和基礎(chǔ)電路進(jìn)行仿真[10-12]。因此，對數(shù)字電路單獨(dú)這門課程來說，現(xiàn)有的仿真軟件針對性不強(qiáng)。
采用虛擬儀器LabView構(gòu)建基于“數(shù)字電路”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，可以針對課程實(shí)踐要求，最大限度滿足學(xué)生隨時(shí)進(jìn)行數(shù)字電路系統(tǒng)創(chuàng)作的要求。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺上（如圖5所示），實(shí)驗(yàn)課堂上的所有實(shí)驗(yàn)都有實(shí)現(xiàn)案例和詳細(xì)文字講解，還可對學(xué)生的創(chuàng)新性系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供直觀、真實(shí)的運(yùn)行效果。

圖 5 數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)圖
5 結(jié)語
基于課程體系重構(gòu)的數(shù)字電路課程教學(xué)模式具有傳統(tǒng)教學(xué)模式所不具備的亮點(diǎn)。首先，該課程教學(xué)模式從問題入手、以興趣引導(dǎo)，能最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考。其次，以數(shù)字系統(tǒng)為分析藍(lán)本，有利于學(xué)生形成系統(tǒng)思維，能從整體和細(xì)節(jié)兩個(gè)維度對數(shù)字電路進(jìn)行深度理解，更能指導(dǎo)課程實(shí)踐。再次，完整的系統(tǒng)分析方法有利于課程知識點(diǎn)的銜接，數(shù)字電路不是單獨(dú)的電路，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常與模擬電路構(gòu)成完整的整體系統(tǒng)，數(shù)字電路也往往是微機(jī)系統(tǒng)、接口電路的重要組成。最后，此種模式下的教學(xué)，可以充分利用現(xiàn)代化信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生教學(xué)資源獲取便利、師生在線互動(dòng)可行有效、模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺器件真實(shí)呈現(xiàn)系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的效果。經(jīng)實(shí)踐證明，該模式能提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和動(dòng)手能力，對學(xué)生整體系統(tǒng)思維的鍛煉也起到很好的作用。
課程體系重構(gòu)的教學(xué)模式對其他課程同樣具有輻射作用，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程，也可以用一個(gè)較為復(fù)雜的軟件系統(tǒng)實(shí)例，通過分析其處理信息涉及的各類不同結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析各種不同邏輯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和相應(yīng)存儲結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，也能達(dá)到激發(fā)學(xué)生興趣、幫助學(xué)生建立課程知識體系架構(gòu)的作用。