数字电路教学范例

摘要:本文应用“启发式教学”方法于“数字电路与系统设计”课程中。具体实践时，采用“提出问题”、“启发思考”、“二分解答”以及“对比分析”四个步骤，将复杂的设计问题通过“提问－启发－思考－解答”的思路循序渐进给予解决。教学实践表明，启发式教学取得了良好的教学效果，值得深入持续推广。

关键词:数字电路;启发式教学;解答与对比

0引言

“课堂提问、学生回答”这一师生互动的基本形式，一直是教学实践环节中很重要的策略之一，也是广大教师们教学质量提升的“法宝”，应用十分广泛［1～2］。2017年10月17日《新华日报》文体版上发表的一篇“好的教育，是一场与生命的对话”中指出:“引导学生自主研究与探索”，引导学生跳出书本死知识，参与连接黑板世界和现实世界的实践”是非常重要的。通过“提问与启发”，激发学生的兴趣点，提高课堂参与度也适用于高等学校的专业课教学［3］。“数字电路”属于电子信息大类专业课教学的主干课，具有工程实践性强、课程内容更新快以及前沿研究发展迅速的特点。正因为如此，“数字电路”课程教学改革、教学方法的改进以及教学策略的凝练势在必行。文献［4］结合目前数字电路技术的发展现状，从教学改革指导思想、教学内容、教学方法、教学手段以及实践性教学多方面提出了若干建议。其中，文章指出，设计方法及新技术的补充是教学内容改革的重点。教学内容要增加实践教学;教学方法应围绕教学内容的增加，利用课堂讨论，增强学生主观能动性和自学能力;同时要改善考试考察方式，增加实验考核。教学方法方面，提到要利用多媒体、计算机仿真以及网络教学三种方式，增强教学效果。此文献对数字电路的教学方法进行了归纳，为数字电路及相关信息大类专业课的教学方法实践提供了一定指导和借鉴。文献［5］阐述了“单片机接口技术”课程中进行的教学模式探索。该文围绕人本、构建以及发展思想，在课堂、练习、考核及课程设计几方面进行创新，取得了较为显著的教学效果。文献［6］基于“数字电路”课程，提出了项目化教学的实践方案。具体实践环节，课堂上引入讨论法，教学内容上增加设计类实验。本文首先阐述了启发式教学模式的核心思想，再通过教学实例分步骤阐述具体教学实践策略，继而基于教学实践给出了启发式教学的设计准则。最后，对全文进行总结。

1启发式教学模式概述

“启发式”教学理念的核心在于“提问”，即构建基于问题探索的对话情境，提倡运用质疑与设问将学习内容巧妙地转化成以问题探究为核心的教学对话。从而激发学生的学习动机，帮助学生理解。基于“数字电路”课程的普及性，以及学生对知识的掌握程度不同，拟采用近30年“数字电路”课程总结出的启发式教学模式。“启发式”教学模式，主要包括“提出问题”、“启发思考”、“二分解答”以及“对比分析”四方面。图1中提出问题环节可以是多个问题，一个个的问，展开形式可以多样，可以通过后面分别搭配“启发思考”、“二分解答”，也可以同时搭配“启发与解答”。提出问题及启发思考的核心目标是激发学生的学习动机，这也是启发式教学过程中的关键所在。因此，如何设定问题以及启发方式的选择是至关重要的。具体实践时，通常采用“设问－思考－解答－对比再思考”的循序渐进模式。针对具体的教学内容，采用启发式教学上课时不断提出问题，启发同学们思考，请同学们回答，然后给出答案。教师通过循循善诱的讲解，启发和引导同学们同步思考，具体通过“提问－思考－做题同时启发－对比答案同时总结”的模式，使他们能够在逐次递进的讲解过程中能够集中精力，取得了良好的教学效果。所述“启发式”教学模式，体现在“数字电路”专业课的教学环节中的各个阶段，下面分阶段介绍。

2启发式教学的分布解析

本文主要分析数字电路与系统课程设计教学中存在的问题，从课设内容、课设项目设计的方法、强化实践技能等方面改进数电课设的教学，强化过程考核。培养学生理论联系实践的能力，强化数字系统的设计与分析，提高学生编程和自主解决问题的能力。数字电路与系统课程设计是电子信息、通信工程等专业在学习了数字电路与系统课程后所进行的综合应用课程实习，是电子、自动化专业重要的实践教学环节，数电课设在培养学生实践能力方面具有极其重要的意义。通过改进课程的教学与过程考核，培养学生理论与实践相结合，强化数字电路的设计与分析能力，提高实践能力。

1数电课设教学的意义及现状分析

数电课设的教学中，共12学时，0.5学分，共6次课。很多学生重视理论的学习，而忽视实验的重要性。数电课设是一门理论与实践相结合的综合应用课程，通过不同的实验才能深入理解数字逻辑电路的设计与分析和VHDL语言程序控制流程。数电课设可以提高学生解决问题的能力，增加学生的就业机会。但是在数电课设的教学过程中，存在一些问题需要改进。

1.1编程和调试能力需提高

数电课设使用quartusII集成开发环境进行VHDL语言编程，教学过程中发现学生对VHDL语言的语法掌握不牢，程序流程图设计有待提高，独立编写代码比较困难。对quartusII软件的使用不熟练，如创建元器件符号、绘制原理图、功能仿真等。学生遇到问题，首先想到的是找老师解决，而不是独立思考寻找解决办法。

1.2自主设计和创新能力欠缺

对于数电课设的实验内容，按照实验指导书进行验证，不需要从头到尾独立思考设计软硬件。尤其是当学生面对大四相关的毕业设计课题时，往往不知道如何设计系统和搭建硬件电路等。实验过程中有很多地方可以优化创新，学生完成基本教学任务而缺乏主动寻找创新点，优化系统设计，提高测量精度等。

1课程教学中出现的主要问题

（1）学生对课程学习缺乏兴趣。主要原因是：①学生对计算机专业的相关情况了解不全面，通常认为该课程不属于计算机的课，是否学好都无关紧要；②学生因对专业知识、电学知识的陌生而产生消极心理，失去课程学习的兴趣。（2）学生的基础参差不齐，而课程概念较多、内容较抽象、逻辑性较强。对实际电路环境有概念的学生，学习兴趣可能建立得较快；但对相关概念空白的学生就会感到课程难懂、难学，继而失去学习的兴趣。（3）先修课程的教学目的不明确，涉及到的课程相关知识掌握不到位，如大学物理中关于电学的物理现象及概念、高等数学中复数的计算方法等等，学生学过也不知所以然；（4）课程内容不合理且偏多，涵盖了基本电路分析、模拟电路分析及数字电路分析三大内容板块，有限的课时需要更合理地统一这三方面知识；（5）教材内容都较经典，与时俱进的实际内容较难体现，学习枯燥感会由此而生。（6）实验教学内容太过于详细，实验的目的无法体现，对知识的理解仅限于表面。

2合理分配教学内容，建立正确教学方法

结合我校计算机专业教学计划，课程的教学课时定为64课时，其中理论课时为48课时，实验课时16课时。课时有限，教学内容应围绕专业的培养计划进行优化选择和重新组织，保证知识的系统性和完整性基础上突出能力培养，增加教学内容的关联性，涉及先修课程的内容以定义式形式给出，充实一些与专业密切相关的内容。

2.1关于理论教学

理论知识是课程实践的基础，成为课程教学中的一个重要环节。电子技术课程涵盖了三大板块知识，理论教学的内容根据专业的特点和需要进行取舍，依据职业岗位对技能和知识的实际需要，重点体现够用，建立合理的知识结构，淡化知识的学术性和理论性；教学思路上遵循电路器件特性、电路处理方法及电路分析方法三条主线，有针对性地选择教学例题，提高教学效果，明确教学目的。

2.1.1基本电路分析

摘要：

当前的数字电子技术教学内容陈旧，传统的教学方法和手段逐渐不适合现代的课程教学。基于此，文章结合数字电子技术教学现状，在教学中以课程任务训练为载体，采用“教、学、练”一体化的模式进行教学，从理论教学、实验教学、开设课程任务训练三方面对该教学模式下的数字电子技术教学策略进行探讨。

关键词：

数字电子技术；一体化；课程教学

数字电子技术是工科类院校电子电气类专业的基础性课程，主要教学数字电路基本的分析和设计方法，使学生熟练掌握电子元器件的逻辑功能，其教学效果的好坏对专业的后续课程有较大的影响。随着现代电子技术的发展，当今社会对人才综合能力的要求也越来越高，课程信息量也在不断增加。数字电子技术作为一门重要的专业基础必修课，其教学内容缺乏时代性，较为落后，且教学方法单一，与现代课堂教学的要求相悖。因此，对数字电子技术教学方法和教学内容进行改革显的尤为重要。为了使学生能够真正将理论知识与实际的数字电路融会贯通，应在课程教学中精心组织、设计该课程的教学环节，将理论与实际有机结合，采用“教、学、练”一体化的模式进行教学。实践表明，该教学模式能更好地推进该门课程的教学改革，较好地完成教学目标。

一、理论教学

（一）采用案例辅助教学

本文主要分析数字电路与系统课程设计教学中存在的问题，从课设内容、课设项目设计的方法、强化实践技能等方面改进数电课设的教学，强化过程考核。培养学生理论联系实践的能力，强化数字系统的设计与分析，提高学生编程和自主解决问题的能力。数字电路与系统课程设计是电子信息、通信工程等专业在学习了数字电路与系统课程后所进行的综合应用课程实习，是电子、自动化专业重要的实践教学环节，数电课设在培养学生实践能力方面具有极其重要的意义。通过改进课程的教学与过程考核，培养学生理论与实践相结合，强化数字电路的设计与分析能力，提高实践能力。

1数电课设教学的意义及现状分析

数电课设的教学中，共12学时，0.5学分，共6次课。很多学生重视理论的学习，而忽视实验的重要性。数电课设是一门理论与实践相结合的综合应用课程，通过不同的实验才能深入理解数字逻辑电路的设计与分析和VHDL语言程序控制流程。数电课设可以提高学生解决问题的能力，增加学生的就业机会。但是在数电课设的教学过程中，存在一些问题需要改进。

1.1编程和调试能力需提高

数电课设使用quartusII集成开发环境进行VHDL语言编程，教学过程中发现学生对VHDL语言的语法掌握不牢，程序流程图设计有待提高，独立编写代码比较困难。对quartusII软件的使用不熟练，如创建元器件符号、绘制原理图、功能仿真等。学生遇到问题，首先想到的是找老师解决，而不是独立思考寻找解决办法。

1.2自主设计和创新能力欠缺

对于数电课设的实验内容，按照实验指导书进行验证，不需要从头到尾独立思考设计软硬件。尤其是当学生面对大四相关的毕业设计课题时，往往不知道如何设计系统和搭建硬件电路等。实验过程中有很多地方可以优化创新，学生完成基本教学任务而缺乏主动寻找创新点，优化系统设计，提高测量精度等。

［摘要］数字电子技术课程是本校电子工程类学生重要专业背景课，该文就对分课堂提高学生积极性和参与感、雨课堂平台追踪学生学习进展、将理论与工程实践以及EDA技术联系起来、培养学生综合能力等几个方面进行探讨，以期能改善高校数字电子技术课程教学效果，以学生为中心，突出能力培养。

［关键词］数字电子技术；对分课堂；雨课堂；EDA设计

一、数字电子技术课程传统教学存在的问题

美国国家训练实验室研究表明，在学习金字塔中，采用不同的学习方式，学习者学习内容的平均留存率有较大差距。若通过听讲、阅读、视听或演示方式学到的内容，学习者会以较快的速度遗忘；而通过讨论、实践或亲自教授给他人等主动学习方式，则可以给学习者留下更深刻的记忆及认识。在传统的数字电子技术教学过程中，教师通常采用“满堂灌”的方法进行授课，侧重知识灌输，学生填鸭式被动接纳内容。当然如果老师思路清晰，语言感染力强，可能教学效果还会略好，但对于讲课死板的教师，尤其是教学内容枯燥晦涩时，非常容易使学生产生疲劳和厌倦，教师失趣，学生失序，效率极低。实际的教学过程中，特别是当教学对象变为伴着电子产品长大的“00后”一代，传统的教学方法存在着诸多问题，并不完全适应新时代学生的特点[1]。教师授课时更多讲解关于数字电子技术概念、定理，附加大量课后习题训练，忽略了数字电子技术和实际实践的联系，缺少师生、生生之间的交互，使得部分学生感觉数字电子技术课程单调乏味，动力不足，即便直到课程结束也依然完全不能实际应用于工程实践，无法与现代数字系统相适应。因此，我们在数字电子技术教学的实践中对教学方法进行改进，以培养能力为目标、以综合实践为主线，遵循“课前学习—课上精讲—小组讨论—实验实践”的教学模式；形成了全程考核、评价反馈和教学策略持续优化的方式方法，在学习讨论中掌握知识、拓展思维，在自主实践中形成能力、激发创新。

二、“对分课堂”在数字电子技术课程中的应用

结合传统课堂与讨论式课堂的各自优势，将“对分课堂”（PAD）引入教学，其教学过程划分为三个阶段，即讲授（Presentation）、内化吸收（Assimilation）和研讨（Discussion）[2]，把一半课堂时间分配给教师讲授，一半时间分配给学生进行讨论，既能充分发挥教师价值，又能调动学生积极性，实现高质量课堂互动。在该教学模式下，教师要适度减少课堂教学内容，一方面需进行更精细的教学设计，梳理出课堂内外的教学内容，另外一方面也需要采取有效措施来确保学生能在课外发生有效学习行为，取得可衡量的学习成效。在数字电子技术课程实施过程中以夯实理论为基础，强化学生现代电子技术应用能力为目标，以综合实践为主线，将数字电路与EDA技术中的部分内容进行融合，重构教学内容，优化教学手段，课程教学设计围绕以下几个方面进行：

（一）调整教学内容。数字电路已进入超大规模集成电路时代，而EDA技术作为代表电路设计的最新发展方向，从培养专业人才的根本目的出发，通过对传统的数字电路课程进行教学改革，将它与现代EDA技术相融合，缩短基础理论知识与现代数字电路设计之间的差距，学生通过随堂实验直观感受，了解利用EDA技术对数字电路进行分析和设计的基本方法，为后续专业课的学习奠定了基础，实现理论与实践教学的有机结合，培养学生的科技信息能力和工程实践能力。数字电子技术课程由传统的数字电路引入FPGA平台、硬件描述语言等EDA技术后，教学重点从“培养集成器件的外部特性及应用能力”调整为“器件应用能力＋数字逻辑设计思维＋语言建模能力”，学习要求提高了而学时数不变，则需要对本课程教学内容进行变革调整。基于此我们从两方面进行改进，一是减少传统数制码制、逻辑函数化简的学时，压缩SSI集成电路的讲解；简要讲解关于逻辑门电路的内容，在课程讲述中穿插硬件描述语言的基本知识，讲述硬件描述语言的语法结构以及并行语句、顺序语句方面的知识，要求能用硬件描述语言设计简单的组合、时序逻辑电路；二是在实验课上讲解相关软件和硬件平台的使用，学生完成基本实验[3]，利用EDA软件仿真功能，课下布置仿真实验，完成理论性验证，同时加大综合设计实验和自主研究实验的比例。例如在数字电子技术移位寄存器学习过程中，对触发器级联构成移位寄存器的电路分析是非常重要的。其分析方法是，根据给定的逻辑电路图，了解电路的输入、输出信号，了解触发器的类型，根据触发器特性方程得到触发器状态转换，进而列出转换表或画出状态图和波形图，即可确定电路的逻辑功能。若通过EDA软件，使用硬件描述语（HDL）言对其进行仿真建模，既可以通过软件逻辑综合得到从HDL描述的数字逻辑电路模型中导出电路基本元件列表以及元件之间的连接关系，如图1（a）所示；也可以通过调用ModelSim仿真得到相关信号时序图，如图1（b）所示。硬件描述语言用形式化方法描述数字电路和系统，利用这种语言，数字电路系统的设计可以从上层到下层，从抽象到具体，逐层描述自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统，然后利用电子设计自动化EDA工具逐层进行仿真验证，再把其中需要变为实际电路的模块组合，经过自动综合工具转换到门级电路网表，提高电路设计的效率和可靠性。

1数字系统设计实验教学中存在的问题

西安工业大学对EDA技术很早就开始重视，在电子、通信、生物医学电子类专业开设了数字系统设计理论课程和与之对应的独立设课实验，理论课安排32课时，主要学习数字系统设计方法、可编程逻辑器件概述以及VHDL程序设计语言，独立设课实验安排24课时。实验教学取得了较好效果，学生的动手实践能力得到加强，对理论课程理解更为深刻。但是也暴露出一些问题，有些问题也是各个学校的共性问题，主要存在这几个方面的问题：①大部分学生习惯于验证性实验的模式，喜欢拿来主义，只按照老师讲解和讲义的实验内容完成实验，没有对其中的实验现象和结果认真思考，在实验报告中也不进行认真总结，应付差事，导致实验教学效果大打折扣。②由于课时限制以及学生基础等方面的原因，综合设计性实验完成效果不很理想。③由于有些专业没有开设EDA相关课程和实验，在毕业设计中用到可编程逻辑器件时，无法上手。④单一的实践教学手段不能很好地调动学生学习的积极性。实验原理内容步骤等固定模式，固定统一的实验箱等限制了一部分优秀学生的发散思维和创新意识。学生开展数字系统设计相关实践的渠道较少，高年级学生在做相关课题时，牵扯到可编程逻辑器件时，表现出能力不足，基础不好的现象。

2改革思路与实践

针对实验教学中存在的问题，结合数字系统设计实验教学要求，笔者对数字系统设计实验教学环节进行了认真的思考与积极的探索实践，总结了以下四点内容。

2.1EDA实验与数字电路相结合

随着现代电子设计自动化（EDA）技术的发展，大多数高校将EDA技术设置为一门必不可少的专业基础课。由此产生了传统的数字电路基础教学与现代EDA课程在教学内容和实验安排上的不同的看法。比如现代数字系统设计方法是否可以完全脱离数字电路课程的基础？传统的数字电路课程如何与现代最新的数字系统设计方法相结合？笔者认为数字电路课程的学习是为了更好地掌握现代EDA技术，而EDA实验环节是数字电路学习过程中的提高与升华阶段。西安工业大学以前的数电实验24学时全部由传统基础数字芯片来完成，计划在卓越班试点将基于FPGA/CPLD的EDA实验引入数电实验，调整为传统数字电路器件12学时+可编程逻辑器件12学时。使学生初步具备硬件设计软件化的理念。初步掌握使用EDA的设计工具完成简单数字电路。条件成熟后先在电信学院所有专业引入基于FPGA/CPLD的EDA实验，然后在全校工科电类相关专业开设。

2.2建立分层次相互衔接的实验教学体系

摘要：为了更好的满足由于科学技术与社会的发展在人才的素质方面的需求，本文对作者教学的经验进行了结合，以目前在数字电子这一技术的课程教学当中出现的问题以及不足为基础，从教学的内容、教学的手段和方法这两个方面对这一课程其教学的改革提出了一些建议。

关键词：数字电子技术；课程；教学改革

数字电子这一技术在工科的计算机、电子以及自动化等这些专业中占据着非常重要的地位。就目前来看，工科的教育有着培养工程的实践性强和理论性强的专业性的人才这一要求，这就需要这一课程就课程体系做不断的更新以及角度的变换，以求能够适应相应的社会需求[1]。通常来说，传统教学的手段是将教师作为主体而学生只能够被动地去接受，这就会致使教学无法达到理想的效果，学生其动手以及实践的能力非常差，且没有办法适应目前就业形势变幻莫测的情况[2]。本文主要就对数字电子这一技术进行教学的过程中，课程的内容过于抽象，教学的手段过于单一，学生其兴趣不够高等等这些问题，在教学的内容以及手段方面进行了大量的改进，希望能获得比较好的结果。

1改革教学内容

目前来说，在数字电子这一技术的课程教学当中主要讲述的内容是标准逻辑的器件，就集成的程度而言其属于规模中小的一种集成电路。以标准逻辑的器件进行设计而得的数字系统在器件方面需要的种类很多，进而使得电路的连线十分复杂，降低了系统的可靠性。因为用户没有办法对这一类器件其功能进行修改，故而造成对系统设计进行修改非常困难。虽然以标准逻辑的器件为基础得到的数字电路仍然有着非常多的不足，但利用其去教学却非常利于学生将基本的知识以及原理等掌握牢固。在数字电子这一技术的课程当中，将标准逻辑的器件当做载体，使得教师能够更方便讲述给学生时序逻辑的电路以及组合逻辑的电路其基本的电路、分析与设计方法等知识[3]。由于EDA技术以及大规模的集成电路等的发展，电子产品和计算机的系统之间的联系愈发紧密，电路其集成的程度愈来愈高，产品其更新的周期愈来愈短，数字电路这一系统已然步入崭新的一个阶段。EDA技术表示将计算机当做工作的平台，将EDA的软件工具当做开发的环境，将硬件描述的语言当做设计的语言，将可编程的器件当做载体，将SOC以及ASIC芯片当做目标的器件，将设计电子系统当做应用方向的一类自动化对电子产品进行设计的技术。较于传统以标准逻辑的器件为基准设计数字电路的方法，EDA这一技术有这样一些特点：第一，对硬件电路方面软件进行设计的输入方式可以有硬件描述的语言、波形图以及原理图等，且在对配置进行下载之前的整个的过程中基本上不会涉及其他任何的硬件；第二，集成的程度更要更高，且可以对片上系统进行构建；第三，可现场对目标系统进行编程，也可在线进行升级；第四，设计的成本更低，开发的周期更短，设计的灵活性更高，且修改非常方便。

1.1选用合适的教材和仿真的计算机系统

教材可以被认为是教师进行讲课以及学生进行学习中重要的依据，且在整个的课程体系当中也占据着非常重要的位置，故而在教学改革中需要选用合适的、对应的教材非常重要。教材不仅要有传统的数字电路方面的内容，还要有可编程的逻辑器件、EDA技术等方面的应用，在学习硬件描述的语言的过程中，促使学生可以使用仿真的计算机系统设计数字系统。