張凡　胡中秋　王能慶

摘 要 “模擬與數(shù)字電子技術(shù)”是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程是“測控電路”和“精密測量技術(shù)”等課程的先行課，學習效果將直接影響后續(xù)課程的學習。本文探索了一些教學方法，以應對測控專業(yè)學生薄弱的電路基礎(chǔ)和有限的學時對課程教學效果的影響。

關(guān)鍵詞 測控專業(yè) 教學內(nèi)容設(shè)計 教學方式設(shè)計

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.07.064

Abstract "Analog and digital electronic technology" is a professional basic course of measurement and control technology and instrument major. This course is the previous course of "measurement and control circuit" and "precision measurement technology"， and the learning effect will directly affect the learning of subsequent courses. This paper explores some teaching methods to deal with the influence of weak circuit foundation and limited class hours on the teaching effect of measurement and control major students.

Keywords measurement and control major; teaching content design; teaching method design

0 引言

隨著萬物智能、萬物互聯(lián)時代的到來，交叉學科越來越要求學生具備寬廣的專業(yè)基礎(chǔ)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)不僅是所有電子大類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是很多相關(guān)交叉學科的基礎(chǔ)必修課。在國內(nèi)外，“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學，在電類專業(yè)已經(jīng)發(fā)展了很多年，很多高校優(yōu)秀教師團隊根據(jù)自己積累的教學經(jīng)驗，編寫了優(yōu)秀的教材和輔導書籍。如清華大學電子學教研組合著的童詩白和華成英版《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》和《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》，[1][2]華中科技大學電子技術(shù)課程組合著的康華光版《電子技術(shù)基礎(chǔ)》模擬部分和數(shù)字部分，[3][4]我校教授與其它高校合作編著的《模擬電子技術(shù)》和《數(shù)字電子技術(shù)》[5][6]等等。 在國外，也有相關(guān)的優(yōu)秀教材，如Anant Agarwal和Jeffrey H.Lang合著的信息技術(shù)和電氣工程學科國際知名教材“Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits”。[7]然而，針對非電類專業(yè)特殊情況裁剪的相關(guān)教材卻鮮有見到。究其緣由，是因為教材編寫者主要是教學實踐主體，主要是教授電類專業(yè)學生，所以教材的編寫主要是根據(jù)本?；蛲悓W校電類專業(yè)的具體學時、學生的學習基礎(chǔ)、學習能力和教學目標編寫而成。因此，非電類專業(yè)的電子技術(shù)基礎(chǔ)課程需要根據(jù)具體情況，具體設(shè)計教學內(nèi)容和教學方法。本文將從教學內(nèi)容設(shè)計和教學方式設(shè)計兩個方面進行實踐探索。

1 模擬部分教學內(nèi)容設(shè)計

測控技術(shù)與儀器專業(yè)“模擬與數(shù)字電子技術(shù)”課程要求涵蓋電類專業(yè)“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”兩門課的內(nèi)容，需要大量課時。例如，康華光版《電子技術(shù)基礎(chǔ)》模擬部分建議64～72個理論課時和24～32個實驗課時。然而，本課程一共只有68個理論學時，分配給模擬電子技術(shù)部分的只有34個左右的學時。

傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)教學內(nèi)容有8個章節(jié)，具體包括（1）半導體二極管及其基本電路、（2）半導體三極管及其放大電路基礎(chǔ)、（3）集成電路運算放大器、（4）負反饋放大電路、（5）信號的運算與處理電路、（6）信號產(chǎn)生電路、（7）功率放大電路和（8）直流穩(wěn)壓電源。

為了匹配課時量并保證教學質(zhì)量，對內(nèi)容進行了剪裁和調(diào)整，并根據(jù)基礎(chǔ)和應用之間的邏輯關(guān)系，分為如下四大部分教學：

（1）模擬信號概述與線性放大：該部分作為課程的緒論，主要介紹信號及其放大的一些基本概念，復習先行課程“電路理論”的基本知識，為后續(xù)學習提供引導性和鋪墊性的知識。

（2）半導體二極管及直流穩(wěn)壓電源電路：本章主要介紹本征半導體和雜質(zhì)半導體的基本知識，PN結(jié)的形成和特性。重點學習最簡單的半導體器件——二極管及其應用電路。同時，通過學習基本的直流穩(wěn)壓電源電路，深入分析二極管在整流電路、限幅電路和開關(guān)電路中的應用方法。

（3）運算放大器與負反饋放大電路：運算放大器是一種增益很高的三端器件，實際使用中，必須加入負反饋，才能實現(xiàn)信號的線性處理，包括加減乘除和積分微分運算。因此，本部分將運算放大器、信號的運算與處理電路及負反饋放大電路綜合成一部分，由淺入深進行講解。

（4）MOS場效應和BJT雙極結(jié)型三極管及其放大電路：MOS三極管和BJT三極管是目前使用的最廣泛的兩類三極管器件。MOS三極管是電壓控制器件，BJT三極管是電流控制器件。它們既有共性，也有不少不同點，將它們放到一同講解，有利于學生的遷移學習和對比學習，幫助他們構(gòu)建清晰有效的知識架構(gòu)。三級管的放大電路包括小信號放大和功率放大兩大應用，本章將通過例題講解，對比學習三極管的小信號模型分析方法和功率放大電路的大信號圖解分析方法。

2 數(shù)字部分教學設(shè)計

康華光版“電子技術(shù)基礎(chǔ)”數(shù)字部分建議56～64個理論課時教學和32～40個實驗課時教學。然而，本課程分配給數(shù)字部分的課時也只有34個學時左右。傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)部分內(nèi)容有8個章節(jié)的內(nèi)容，具體包括：（1）數(shù)制與編碼、（2）邏輯門、（3）邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、（4）組合邏輯電路、（5）觸發(fā)器、（6）寄存器與計數(shù)器、（7）時序邏輯電路的分析與設(shè)計和（8）脈沖波形的產(chǎn)生與整形電路。

同樣，為了匹配課時量并保證教學質(zhì)量，對內(nèi)容進行了剪裁和調(diào)整，并根據(jù)基礎(chǔ)和應用之間的邏輯關(guān)系，分為如下五大部分教學：

（1）數(shù)字邏輯概論：本部分主要介紹數(shù)字邏輯的基礎(chǔ)知識，包括數(shù)字信號的描述方法、數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換方法、有符號二進制數(shù)及其算術(shù)運算，格雷碼、ASCII碼、奇偶校驗碼和BCD碼等二進制編解碼方法。

（2）邏輯代數(shù)：介紹基本邏輯門、三態(tài)門、邏輯代數(shù)的基本運算和復合運算方法、邏輯代數(shù)的基本定律和規(guī)則、邏輯函數(shù)表達、變換和代數(shù)化簡方法，最小項和最大項表達式，卡諾圖的設(shè)計、規(guī)律和化簡方法?？ㄖZ圖是設(shè)計組合邏輯電路中最重要的工具，卡諾圖表格的設(shè)計和單元格編號的排序是歷屆學生學習的難點。授課中從一元變量卡諾圖的設(shè)計，演化到二元變量卡諾圖的設(shè)計，在到三元變量卡諾圖，最后到四元變量卡諾圖設(shè)計，幫助學生理解演化規(guī)則。

（3）組合邏輯電路：討論組合邏輯電路的分析步驟和設(shè)計方法、競爭冒險的發(fā)現(xiàn)與消除。將介紹組合邏輯電路中所有的基本電路單元，包括編碼器與譯碼器、數(shù)據(jù)分配器和選擇器、數(shù)值比較器和加法器。重點分析這些基本電路的擴展方法，如利用8線-3線編碼器擴展成64線-6線編碼器，利用數(shù)據(jù)選擇器芯片代替分立邏輯門實現(xiàn)多變量邏輯函數(shù)的功能，利用譯碼器控制顯示器的靜態(tài)現(xiàn)實或動態(tài)現(xiàn)實等等。

（4）鎖存器與觸發(fā)器：鎖存器和觸發(fā)器是時序邏輯電路的基本單元。本章主要討論SR鎖存器和D鎖存器、主從D觸發(fā)器和維持阻塞D觸發(fā)器，分析D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器和SR觸發(fā)器的邏輯功能。

（5）時序邏輯電路：介紹時序邏輯電路的基本概念，討論時序邏輯功能的描述方法，討論Mealy型和Moore型時序電路的區(qū)別，學習同步和異步時序邏輯電路的分析和設(shè)計方法，學習寄存器和移位寄存器及其基本應用電路，學習異步計數(shù)器、同步計數(shù)器和集成計數(shù)器的應用。

3 教學方式設(shè)計

雖然“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”在電類專業(yè)，是非常普遍的課程，上課學生多，講授的教師也多，屬于大眾課程，重視程度高。但是，在非電類學院，缺乏相關(guān)電類教師，需要學習本課程的學生也少得多，屬于小眾課程，不屬于重點關(guān)注課程。“模擬與數(shù)字電子技術(shù)”課程安排的是大班教學，課堂學生人數(shù)達到100人以上。并且學生電路基礎(chǔ)薄弱，且課時只有電類相關(guān)課程學生的1/2～1/3，非常緊張。為了解決學生多、課時較少、基礎(chǔ)薄弱等現(xiàn)實問題，特設(shè)計了如下的教學方式：

（1）借助移動學習緩解課時不足問題：人手一部智能手機，睡覺前看手機，睜開眼第一件事也是看手機是目前普遍存在的社會現(xiàn)象。剛剛脫離父母時時關(guān)注、高考高壓環(huán)境的大學生，幾乎無時無刻在利用點滴零碎的時間刷手機。利用學生的手機依賴癥，QQ學習群和中國大學MOOC國家精品課程資源，有計劃地幫助學生選擇合適的優(yōu)秀互聯(lián)網(wǎng)學習素材，輔導和督促學生課外的移動學習。例如，本課程向?qū)W生推薦了華中科技大學電子技術(shù)課程組的大學MOOC國家精品課程“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”，要求學生同步完成線上測試題。由于國家精品課程面向的授課對象廣泛，課程資源并不是100%適合我們的學生。因此，簡單口頭提醒要求學生，難以取得良好效果。因此，需要教師提前查看分析課程線上資源、親自聽課、做測試題，體驗學生的實際感受，對內(nèi)容進行分析裁剪，并利用QQ學習群發(fā)布課外學習方法和路線，輔導學生、督促學習進度、保證學習效果。

（2）充分分解知識點應對基礎(chǔ)薄弱問題：模擬和數(shù)字電子技術(shù)的學習要求學生有良好的“電路分析”、“線性代數(shù)”和“高等數(shù)學”基礎(chǔ)。尤其是非電類專業(yè)學生的“電路分析”基礎(chǔ)普遍較差。調(diào)查現(xiàn)實，大量學生無法熟練使用KCL方程和疊加定律等電路分析中最基本、也是最關(guān)鍵的重點方法，導致學習模擬電子技術(shù)時非常吃力。數(shù)字電子技術(shù)的學習也要求有一定的線性代數(shù)基礎(chǔ)，以有效地學習邏輯代數(shù)、處理邏輯組合電路中的電路分析和設(shè)計問題。因此，本課程將每個章節(jié)中的知識分解成眾多微小的知識點，每個PPT的篇幅限制在20也內(nèi)，大多在平均10～15頁之間。每個PPT僅僅講述一個小問題。例如，在以前的教學中，整章“組合邏輯電路”一個PPT，競爭冒險的概念往往是被嵌入一個大PPT中的少數(shù)幾頁，學生聽完后，還是覺得概念抽象、理解吃力、印象很淺，在大腦中很快被后續(xù)內(nèi)容覆蓋。但把競爭冒險作為一個獨立的PPT，花費十幾頁，可以非常清楚地闡明組合邏輯電路產(chǎn)生競爭的原因，導致冒險的不良后果，以及發(fā)現(xiàn)競爭的方法和消除競爭的三種途徑。學生聽完后覺得這個概念考慮了電路在實際運行中可能產(chǎn)生和的問題、內(nèi)容現(xiàn)實實用、學習起來簡單易懂，提升了學習的積極性和自信心。

4 結(jié)語

非電類專業(yè)交叉學科“模擬與數(shù)字電子技術(shù)”的教學需要教師在實踐中不斷積累經(jīng)驗，根據(jù)本校本專業(yè)的學生基礎(chǔ)和學習特點，根據(jù)專業(yè)的課時分配探索適應具體情況的教學方法。本文探索了在學時緊張、師生比低、學生基礎(chǔ)薄弱的情況下的各種定制化教學方法。通過重組教學內(nèi)容、借力移動學習資源、充分分解知識點的方式，改善教學效果。

參考文獻

[1] 清華大學電子學教研組編，童詩白主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社.

[2] 清華大學電子學教研組編，閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社.

[3][4] 華中科技大學電子技術(shù)課程組編，康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）.高等教育出版社.

[5] 陶恒齊主編.模擬電子技術(shù).第二版.華中科技大學出版社.

[6] 張小華主審，劉歆副主編.數(shù)字電子技術(shù).華中科技大學出版社.

[7] 愛格瓦爾 （Anant Agarwal），朗 J.H. （Jeffrey H.Lang）.模擬和數(shù)字電子電路基礎(chǔ)（Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits）.于歆杰，譯.清華大學出版社.