徐朝農(nóng)， 張 曄

(中國石油大學(北京) 計算機科學與技術(shù)系， 北京 102249)

0 引言

近年來，計算機和通信網(wǎng)絡技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得高等院校計算機科學與技術(shù)專業(yè)教學計劃中不斷涌現(xiàn)出有關(guān)計算機應用方面的新內(nèi)容，如深度學習、社交網(wǎng)絡等。這對擴寬學生的視野不無裨益。相對而言，專業(yè)基礎(chǔ)課由于離應用相對較遠，課程內(nèi)容相對繁雜。以“電路分析”、“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”三門課程為例，這些課程的理論知識抽象難懂，教材篇幅龐大，內(nèi)容繁多，加上有些學生認為這是電子工程專業(yè)專屬課程，和計算機專業(yè)沒關(guān)系，造成了教師難教、學生不愿意學的現(xiàn)象。然而，毫無疑問的是：這些教學內(nèi)容是計算機專業(yè)課程學習所必需的專業(yè)基礎(chǔ)，也是學生今后向深層次發(fā)展必備的基礎(chǔ)[1]。如何克服上述困難，就必須解決這些課程教與學之間的矛盾，這些課程的教學和實驗改革勢在必行[2]。

1 教學內(nèi)容改革的具體內(nèi)容

對于計算機科學與技術(shù)專業(yè)來說，由于學科前沿不斷發(fā)展，留給基礎(chǔ)課程的教學課時不斷被壓縮，課程的關(guān)聯(lián)性也因此越來越難以被學生領(lǐng)悟，導致學生不得其要領(lǐng)。以我校計算機專業(yè)為例，目前唯一的硬件基礎(chǔ)課“數(shù)字邏輯”在大二學生中開設，占有48個課時，并且其起點就是0、1邏輯運算，但并沒有介紹對0、1邏輯運算的實現(xiàn)，這導致學生不能理解0、1的電學本質(zhì)，后續(xù)的硬件課程內(nèi)容成為無根之木。

鑒于此，我校計算機專業(yè)增設了48個課時的“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程，以完成從大學物理電磁學為起點到0、1邏輯運算的實現(xiàn)過程為終點的教學內(nèi)容的貫穿。如何在這么少的課時內(nèi)涵蓋這些基礎(chǔ)內(nèi)容，并且讓學生學明白、有感悟，并進而產(chǎn)生學習的興趣，這首先需要合理地規(guī)劃教學內(nèi)容。

我們對該課程教學目標定位為：讓學生明白門電路的實現(xiàn)原理，切實感受到0、1邏輯與邏輯運算并不是一個空洞的概念，是可以真實地通過電路來實現(xiàn)的。以此為根本，課程的核心內(nèi)容則為典型的與非門電路的結(jié)構(gòu)原理，而為了講清楚這核心內(nèi)容，基于三極管的基本放大電路就成為重點內(nèi)容，從而，電路理論中的直流和一階RC電路的內(nèi)容則是必須的。因此，這三部分的內(nèi)容就構(gòu)成課程的教學內(nèi)容。

根據(jù)多年來從事計算機硬件教學、工程開發(fā)和科學研究的經(jīng)驗體會，并參考國際上類似課程的教學理念，我們提出在“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學內(nèi)容上“重體系、刪高頻精低頻、重數(shù)字接口”的改革思路[3]。具體如下：

1)重體系

立足專業(yè)體系的健全是課程內(nèi)容設置的根本指導原則。作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，只有突出課程在學科體系中的作用和地位，以此為抓手來進行教學，才能讓學生學知其然。參考美國MIT“電路與電子學”課程中的做法，從信息學科工程的角度來說，其出發(fā)點是麥克斯韋的電磁場方程，并由該方程導出基爾霍夫定律，從而由物理世界進入信息世界?！半娐贩治觥睆摹奥贰钡慕嵌冉榻B了理想元件組成的基本電路的分析方法，“模擬電子技術(shù)”則介紹對使用典型的電子元件，如二極管、三極管、MOS管這些實際元件所構(gòu)成的電路的分析方法。當然，這些分析方法是建立在對這些典型電子元件的電路級模型的基礎(chǔ)上的?！皵?shù)字電子技術(shù)”則在于如何約束模擬電路的連接方式，使得其輸入、輸出均為數(shù)字信號，它是該課程的根本歸宿。經(jīng)過這三部分內(nèi)容的學習，學生將從信息學科的角度在一定程度上了解了大學物理學的地位和作用，也感受到了數(shù)字世界的方便性的根源。所以，在我們的“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”授課過程中要不斷反復地突出這三部分內(nèi)容在信息學科中的地位和作用，從專業(yè)體系上逐步培養(yǎng)學生批判性學習的意識和素養(yǎng)。

2)刪高頻精低頻

這個原則主要是針對電路理論這部分內(nèi)容而言的。計算機專業(yè)畢業(yè)生可能會從事軟件的開發(fā)，也可能會從事硬件的開發(fā)和研究工作，但從事強電、微波系統(tǒng)開發(fā)的可能性不大。因此，這部分教學內(nèi)容不強調(diào)“全”，而強調(diào)“用”。在我們的教學計劃中，我們選取了直流電路、一階RC電路這些低頻電路必須的理論作為教學內(nèi)容。而其他內(nèi)容，如RLC二階電路、三相電路分析、端口網(wǎng)絡、傳輸線這些內(nèi)容則不再講授。之所以這樣選擇，完全是我們的課程目的，即掌握0、1邏輯及邏輯運算的電學實現(xiàn)而決定的。

所謂“精低頻”，并不只是在課程內(nèi)容上偏重于低頻電路，更重要的是把電路理論在模擬電子技術(shù)學習中很好地應用起來。多年的教學實踐發(fā)現(xiàn)：學生普遍覺得電路理論好學不好用，模擬電子技術(shù)則不好學也不好用。筆者認為：問題的根源在于電路理論和模擬電子技術(shù)實踐的脫節(jié)。以模擬電路的交流通路為例，學生經(jīng)常發(fā)生困惑的一個問題就是在建立交流回路時，為什么可以認為電源是短路的。其實，教師只要在這部分內(nèi)容的授課時提一下電路理論中的疊加定理的作用，學生就會恍然大悟。因此，啟發(fā)學生深入思考一些表明上看起來很簡單卻很難解釋清楚的問題，會非常有利于讓他們領(lǐng)會電路理論和模擬電子技術(shù)這兩部分內(nèi)容的關(guān)系。這就是“精低頻”中精的含義。

3)重數(shù)字接口

這個原則是針對數(shù)字門電路部分的。主要是考慮到我校的“數(shù)字邏輯”課程重點強調(diào)邏輯特性，而非電特性卻不作為授課內(nèi)容。因此，對這部分教學內(nèi)容，一方面要強調(diào)如何從普通三極管放大電路過渡到數(shù)字門電路的實現(xiàn)原理，另一方面更要重視門電路的接口電特性，如拉電流、灌電流、OC門、高阻等概念的電路學根源，尤其是其中能描述這些概念本質(zhì)的數(shù)學推導。其目的在于告訴學生為什么會產(chǎn)生這些概念，如何去合理地使用門電路，而不是孤立地停留于邏輯層面上。因為這部分內(nèi)容在后續(xù)的“計算機組成原理”、“計算機接口”技術(shù)可能中都會使用到，因此也是必需的教學內(nèi)容。

在具體的教學內(nèi)容上，課程中電路理論部分的授課內(nèi)容包括直流電路、一階RC電路。一共16個課時。模擬電子技術(shù)部分的授課內(nèi)容包括半導體二極管及應用電路、半導體三極管及應用電路和MOS管放大電路。一共19個課時。數(shù)字門電路部分占7個課時。剩余6個課時為實驗。筆者認為：模擬電子技術(shù)的內(nèi)容可以根據(jù)教學學時總數(shù)進行適度擴充，例如：對稱放大、運算放大器也是實踐中經(jīng)常要使用的內(nèi)容，可以適當介紹。

2 實驗改革的具體內(nèi)容

實驗是“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程中非常重要的部分。其根本目的在于對教學內(nèi)容的鞏固[4]。我們一共設置了三個課堂實驗和一個自學性實驗。具體實驗內(nèi)容如下表：

序號實驗項目名稱主要內(nèi)容實驗學時1一階、二階動態(tài)電路觀察一階、二階電路的動態(tài)過程22晶體管共射極放大電路學習放大電路靜態(tài)工作點的調(diào)試方法23TTL 與非門參數(shù)測試及邏輯功能的檢驗對與非門傳輸特性的測量、邏輯電平驗證24基于MultiSim的電路仿真學會使用MultiSim軟件并進行仿真自學

顯然，針對每部分的教學內(nèi)容有一個實驗與之對應。最后一個自學實驗主要是讓學生掌握用計算機軟件進行實驗模擬的方法，這樣可以對一些課程作業(yè)內(nèi)容進行自我檢查。如果教學時間充裕，還可以增加關(guān)于運算放大器的實驗。

3 結(jié)語

“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”是我校增設的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，首次在14級開課，并在15、16級中持續(xù)進行了內(nèi)容的調(diào)整。通過這一摸索過程，學生至少有三個收獲。①初步培養(yǎng)了從學科角度看待課程內(nèi)容的習慣，從而理順了后續(xù)每門主干課程的任務。②學習方法上更加科學化，不少學生開始拋棄不求甚解的毛病，追求精益求精。③學生的動手能力得以增強。

事實上，沒學習過“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)”課的13級學生，在四年級學習“硬件綜合設計”課程中遇到了問題，發(fā)現(xiàn)他們不會從硬件根源上尋找解決辦法，而14級及其后的學生們在調(diào)試過程中遇到問題時，已經(jīng)敢于用示波器去測量并思索原因了，這充分說明他們已經(jīng)開始學會結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)進行編程了。此外，2016年本課程教學評分位于全校前10%，也充分說明了改革的有益效果。