安徽电气工程学校 康雪梅
一、引言
随着电子材料科学的发展，电路集成技术的进步，分立元件的电路渐渐被数字IC 取代，电路成本不断地降低，数字电路越来越广泛地出现在人们的日常生活中，数字电路的知识也因此成为中等职业电子技术专业学生必修的内容。但原有的课程体系与教学模式已经不大适应现在的中职教学了，对课程的地位、作用以及如何处理理论与实践等问题上需要进一步改革探讨；对课程的内容体系、基本要求、教学的组织方式等有必要进行更为系统的理论与实证研究。
二、从适用性出发审视课程的教学内容与基本要求
课程的内容体系与教学要求要服从人才培养的总目标, 要与课程在人才培养方案中的作用与地位相适应。
（一）将课程研究对象从数字电路器件向数字电路应用系统转移
《数字电路》建立在30多年前小规模集成电路的基础上, 按照门电路、由门电路构成的组合逻辑电路, 触发器、由触发器构成的时序逻辑电路作为教学的核心内容。这里的所谓电路实际上是诸如编码器、译码器、寄存器、计数器等器件。对如何由这些器件构成一个完整的应用系统很少给以关注。随着数字集成电路逐步过渡到大规模集成器件, 并出现了可编程的逻辑器件, 数字电路的应用更为广泛, 系统更为复杂。在此情况下, 是将教学内容定位在由门电路与触发器构成的器件, 还是由器件构成的系统; 内容的安排是由器件到系统, 还是由系统到器件, 成为课程要解决的首要问题。
1.将数字电路系统作为课程的核心内容。
马克思主义关于事物的普遍联系观点对我们教学中处理数字电路系统与器件的关系具有指导作用。机电类许多专业课程都涉及到由数字电路构成的应用系统, 最典型的课程是《单片机应用》。在单片机应用系统中, 许多器件在《数字电路》中都曾出现, 如果学生只是掌握了这些器件的工作原理, 而对各种器件的功能与作用不熟悉, 没有接触并实际演练过由这些器件构成的各种应用子系统,如存储器扩展、字符显示、键盘电路、A/D 与D/A 转换电路等, 要学好这门课程几乎是不可能的。从与后续课程的衔接考虑, 有必要将数字应用系统作为课程教学的核心内容, 将掌握应用系统的分析与设计方法作为对课程教学的纲领性要求。
2.将以系统为引导作为课程教学的基本出发点。
没有器件,无法构成一个数字应用系统, 离开了系统学习器件, 往往就失去核心与主线。那种从门电路、触发器出发, 引入组合逻辑电路与时序逻辑电路, 在熟悉了各种基本电路之后, 才开始将这些器件用于数字电路系统的传统教学安排, 看起来按部就班, 但从实际效果来看, 由于学生长期没有数字电路应用系统的概念, 到最后接触系统时, 很难将器件与系统统一起来, 也难以对系统形成完整的概念。按照认识论, 在观察和处理问题时, 要把整体性原则作为基本的出发点。唯有站在系统的高度, 以系统为引导, 才能更好地理解课程的精髓和进一步加深学生对课程目标与任务的理解, 燃起他们主动学习的热情。基于上面的认识, 在教学安排中, 我们将应用系统贯穿于课程教学的始终, 每章以一个应用系统开始, 由此引入需要研究的器件, 通过扩充与完善系统的功能, 引入新的器件, 在新器件的基础上学习与掌握更加复杂的系统。比如通过一个简单的抢答器, 熟悉门电路的功能和特点, 在此基础上增加抢答器的记忆功能以给出新的应用系统, 同时引出触发器, 随后又通过增加抢答器的显示功能引出编码器、译码器。在掌握了构成系统器件的基本原理与功能之后, 再要求学生对系统进行优化或重新设计。通过这种由系统到器件再由器件到系统, 循环往复、螺旋向上的教学安排, 能很好地帮助学生自主建构起《数字电路》的基础知识与技能。
（二）将课程的研究方向从集成电路内核向外围转移
1.注重掌握集成电路的外部特性。
长期以来, 在以器件为核心内容的基础上,《数字电路》课程注重集成数字电路的内部结构。逻辑电路的化简、电路原理的分析、确定电路功能的逻辑运算等既是课程的重点, 也是难点。利用触发器的状态方程、输入方程和时间方程, 通过逻辑运算的方式分析各种计数器的逻辑功能是课程最为经典的教学内容。然而, 课程教学的目的不是要求我们去设计集成电路的内部电路结构, 而是要求我们掌握数字集成电路在复杂数字电路系统中的作用, 能分析后续课程中由各种具体的数字集成电路器件构成的应用系统的功能与原理, 能利用各种模块化电路从上至下或从下至上设计出应用电路系统。以系统为核心必然导致课程基本要求以掌握集成电路器件的外部特性为核心。
2.采取先外部特性后内部机理的教学安排。
认识论中,人们要认识对其内部机理还不熟悉与理解的复杂系统, 早就有所谓的黑箱方法:不打开黑箱,而是利用外部观测,考察对象与周围环境的相互联系来了解黑箱的特征和功能,猜测其内部构造和机理。学习研究数字集成电路系统,可以采取这种方式, 即将所有电路等效为一个封闭的物理模型,首先搞清楚其与外界发生联系的各种输入、输出关系, 然后将其放在一个个具体的应用系统中研究其功能与作用。运用黑箱方法来研究数字电路的功能和行为特性时, 由于不对其内部结构进行研究,必然不可能更深刻地认识电路的功能和行为特性的基础与本质。但在熟悉了其外部特性及其在数字电路系统中的功能与作用时,再来对电路的内在结构和机理进行推测和辨识,给出电路的一般性原理,往往水到渠成。这样,黑箱变成了灰箱,如果再深入下去,还可能成为白箱,人们的认识达到新的高度。以一个教学实例使上述论述具体化。在讲授计数器时,我们通过一个地址计数器将固化在存储器内的数据读出来,进行显示的应用系统引出计数器,在对计数器在系统中的作用有了一定的认识之后,将其独立出来进行研究。从外部特性出发,把计数器等效为一个有脉冲信号输入端、并行数据输入端、控制信号输入端及数据输出端、进(借)位输出端的模型,通过研究端口之间的逻辑关系使学生掌握计数器的基本特性与功能。然后给出不同制式的计数器和同步与异步的概念。接着再将计数器模型放在具体的应用系统中,研究其如何作为计数器、定时器使用, 及构成不同制式的其他计数器等。在熟悉计数器的外部特性之后,再来讨论计数器的工作原理。按照这种教学安排, 原来《数字电路》中最为经典, 学生也最难掌握的计数器电路变得简单易学。
三、突出实践教学在课程教学体系中的主体地位
《数字电路》既有严密的知识体系,又要掌握与工艺、技术、规范、操作等联系紧密的实践技能。在课程教学体系中, 如何处理理论教学与实践教学的关系, 是课程改革要解决的另一个重要问题。
（一）根据课程的技术性特征突出实践教学在课程中的主体地位
随着高等教育从精英教育向大众化教育转化, 无论是工程教育还是技术教育, 都将职业性作为其培养目标的基本内涵, 技术应用能力与动手能力的培养日益受到重视。未来职业岗位要求通过对《数字电路》课程的学习, 学生能够掌握数字电路器件的检测、集成电路手册的使用、电路的制作、应用系统的检测与故障判断、常用设备的使用与操作等实践技能。要获得这些能力, 没有系统的实践体验与全面扎实的实际训练是无法实现的。这就要求增强课程模式的实践性, 将注重培养技术应用能力与动手能力的实践教学放在主体教学的重要位置。在教学实际中, 我们根据培养对象需要掌握、熟悉的技术应用能力与实际操作能力, 构建完整的实践教学体系。实践教学内容上, 减少基础性验证性实验, 加重应用性训练与操作, 增加学生自行选题设计的综合性训练及工艺性操作实践。既有在面包板上连接电路的训练, 也有在万能板、印刷电路板上焊接电路的训练, 还有利用CAD 软件设计电路板的训练; 既有项目开始时对各种器件的识别与检测, 也有项目后期对电路的检测, 以及项目完成后的总结与进一步优化; 既有从简单应用系统开始逐步优化与扩充的系列训练内容, 也有将各种知识与技能融入一体的综合训练内容。实践教学手段以实物为主, 要求学生独立在电路板上完成实际应用电路的制作、调试与检测, 实现电路的各种功能, 辅之以建立在各种软件基础上的虚拟实验, 通过仿真的方式设计与调试电路。
（二）按照事物认识规律，采取先实践、后理论的教学方式
《数字电路》课程一般是在学习了一定的理论知识以后, 针对学过的知识开设验证性实验, 即使将实践教学独立出来单独开设, 其进程也一定滞后理论教学。这种理论知识体系清晰、目标明确的教学方式一直延续至今。唯物主义认识论认为,实践是全部认识的来源与动力, 按照这一观点, 结合课程实际,我们采取了将实践教学安排在理论教学之前的教学模式。具体做法是从最基本的应用系统或项目出发, 通过实践训练使学生对要学习的问题形成感性认识, 由此引出相关知识和理论。比如在还未教授门电路之前, 通过制作、测试与调试由各种门电路构成的抢答器, 使学生对门电路的认识具体化。实践过程中产生的一些问题与疑惑, 使他们对后续学习内容充满好奇与期待。在此基础上再从理论上分析各种门电路的逻辑关系与电路结构。这种由实践教学引出相关概念及相关电路, 实践部分有理论分析,理论部分以实践作为依托, 理论与实践融于一体, 互相补充, 互相依托的教学安排, 符合人们认识事物的客观规律。
（三）按照建构主义理论，确立以学生为主体的实践教学模式
我们把以学生为主体的教学模式, 贯穿课程实践教学的始终。教学过程注意提供与电子领域相一致的实践教学环境, 在训练项目中刻意安排协作、互助、互动的学习内容, 利用讨论、辨析、提问等手段创造更多语言交流与会话的机会, 最终达到使学生有效地实现对当前所学知识意义建构的目的。比如第一堂实践课我们先给学生演示上一届同学课程设计的作品“多路可编程控制器”( 一种可以控制32盏霓虹灯或彩灯的亮灭, 从而组成各种图案的数字电路系统) 。同学们看到电路板上那么多的集成块觉得十分神秘, 看到作品产生的变化图案觉得非常有趣, 同时也产生疑问, 这么复杂的电路我能设计出来吗? 接着老师把第一次实践课要用到的设备、器件及电路、手册等交给学生, 提出要求; 然后用分组讨论的方式由学生确定训练的步骤, 用同学间自检与互检的方式确保训练获得正确结果, 最后, 用自评与互评的方式进一步加强学生间的学习、沟通与借鉴。在这一过程中, 学生既能享受到完成项目的喜悦, 体会到合作的愉快, 同时感受到展现自我价值的自豪。再比如在实训项目“计数显示器”的实践教学中, 首先要求学生通过查集成电路手册了解电路所涉及的计数器、译码器、数码管与非门等器件的管脚连接和功能表, 然后通过小组讨论对实验电路进行简单分析, 通过实训项目的制作、测试和对实验的分析, 弄清楚这些器件的功能和每个管脚的作用。在此基础上推广至如何实现芯片的级连, 如何进行功能扩展, 如何利用通用计数器构成任意进制计数器等一些在实际工作中十分有用的方法与技巧问题。在学生主动参与认真思索下, 能够对计数器及由计数器构成的各种应用电路产生深刻的认识。
四、结语
《数字电路》这门课程通过以上一些改革措施,不仅保证在教学计划时间内能够较好地完成教学任务,而且学生也更容易理解接受，学生的实际动手能力和对数字电路进行分析处理的能力得到很快提高,使学生能够从中体会到该门课程在今后的学习与工作中具体的应用,从而激发学生的学习热情和兴趣,增强学生的学习自信心。
