張靜

（浙江警察學(xué)院 計算機(jī)與信息安全系，杭州 310053）

0 引言

數(shù)字電路是信息技術(shù)（Information Technology，IT）類專業(yè)中電學(xué)的核心基礎(chǔ)課之一，在課程體系中有些重要的支撐作用[1，2]。然而，隨著IT技術(shù)發(fā)展趨勢的不斷變化，尤其是電子設(shè)備的模塊化程度的不斷提高，畢業(yè)生在IT企業(yè)直接用到數(shù)字電路知識的機(jī)會越來越少，以至于很多學(xué)生產(chǎn)生了數(shù)字電路對于工作和深造等沒有太大幫助的看法。另一方面，學(xué)習(xí)過程中，很多學(xué)生只是記得理論課中講邏輯函數(shù)和邏輯電路的分析與設(shè)計方法等，然后實(shí)驗(yàn)課就是跟著老師用芯片搭電路，導(dǎo)致學(xué)到的理論知識無法靈活應(yīng)用，一旦有拓展內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)就無法獨(dú)立思考完成[3]。

針對數(shù)字電路教學(xué)中存在的問題，任玲等提出了一種多元化的教學(xué)方法，包括對教學(xué)設(shè)計的改進(jìn)、內(nèi)容拓展和在實(shí)驗(yàn)課中使用差異化的方式[4]。紀(jì)萃萃采用項(xiàng)目驅(qū)動法，以實(shí)際案例為核心來帶出相關(guān)的理論知識[5]。賈紹芝等提出了新工科和工程認(rèn)證背景下數(shù)字電路的教學(xué)改革，對課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，加入網(wǎng)絡(luò)課堂等[6]。

事實(shí)上，筆者在近年來的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)字電路其實(shí)非常適合鍛煉學(xué)生的工科思維方式，從實(shí)際問題出發(fā)，深入分析后建立數(shù)學(xué)模型，基于已有知識推理找到合適的方式解決問題?？梢哉f這種思考和解決問題的方式是貫穿在大多數(shù)工科專業(yè)的課程學(xué)習(xí)中，如果能夠盡快掌握和理解，那么對于后期各方面發(fā)展，包括學(xué)習(xí)其它課程、日后做科研或者工作都有很大幫助。此外，數(shù)字電路的課程安排相對較早，復(fù)雜程度也不是很高，所以非常適合在低年級培養(yǎng)學(xué)生的工科思維。

因此，本文提出一種數(shù)字電路教學(xué)方式，就是注重從實(shí)際問題到數(shù)學(xué)模型再到電路設(shè)計這種思維的培養(yǎng)，在教學(xué)過程中把這三者緊密聯(lián)系在一起，這樣可以非常有效地提升教學(xué)效果，使學(xué)生學(xué)東西不再死板，思考和解決問題的能力得到提高。

1 工科思維培養(yǎng)

工科思維以邏輯為手段，以科學(xué)知識為基礎(chǔ)，以應(yīng)用技術(shù)為條件，以實(shí)際應(yīng)用為目的，在工科專業(yè)的學(xué)習(xí)中鍛煉這種思維非常重要。本質(zhì)上來說它是一種思維習(xí)慣，以實(shí)現(xiàn)最終的目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，通過本身的知識結(jié)構(gòu)和邏輯推理來找到解決方案，非常重要的一點(diǎn)就是如果在推理過程中發(fā)生自身知識的缺失，要能夠準(zhǔn)確地找到并進(jìn)行補(bǔ)充，這一過程通常是反復(fù)進(jìn)行，直到實(shí)現(xiàn)目標(biāo)為止。

數(shù)字電路蘊(yùn)含著工科思維的各個方面，而且每一部分都不難掌握，所以非常適合培養(yǎng)工科思維。首先它有一套獨(dú)立的理論基礎(chǔ)，也就是邏輯代數(shù)。相對于其它數(shù)學(xué)工具而言，邏輯代數(shù)比較容易掌握。此外，邏輯問題的建模，邏輯電路的分析與設(shè)計方法也不是很抽象，基礎(chǔ)知識掌握了以后，甚至可以自學(xué)深入的部分。其次，常用的邏輯器件，包括門電路、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、觸發(fā)器和計數(shù)器等，都能夠通過正常的課程學(xué)習(xí)掌握。實(shí)驗(yàn)課中也可以掌握基本的仿真和電路調(diào)試技巧，并看到一些實(shí)際應(yīng)用的場景。

通過讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中看到上述某一方面就去聯(lián)系其它的部分，經(jīng)常進(jìn)行邏輯推理，以及綜合性的設(shè)計類實(shí)驗(yàn)來鍛煉工科思維，比如數(shù)據(jù)選擇器，當(dāng)系統(tǒng)需要在多個模式下切換的情況下就可以用到，此時的選擇輸入端就可以作為系統(tǒng)模式的控制端。設(shè)計一些有針對性的綜合性實(shí)驗(yàn)可以非常有效地提高思維和實(shí)踐能力，以下通過一個例子來說明。

2 教學(xué)示例

通過筆者在教學(xué)過程設(shè)計出的一個例子來闡述上述教學(xué)方式的基本思想。設(shè)計一個兩位計數(shù)電路，對于一個任意給定的數(shù)0＜=X＜=99，使得其可以按X-＞X+1-＞X-＞X-1-＞X的規(guī)律計數(shù)。

2.1 分析過程

可以看出該例的實(shí)際效果是以X為中心，加減1的循環(huán)計數(shù)，容易想到的是用雙向計數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。通過基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了單向計數(shù)的方法，但要實(shí)現(xiàn)該功能，除了掌握基本知識外，必須要具備獨(dú)立的分析和思維能力才行。

兩片雙向十進(jìn)制計數(shù)器74LS192作為個位和十位數(shù)，分別記作1和2，芯片的所有輸入信號和輸出信號用下標(biāo)1和2來區(qū)別。在向上和向下計數(shù)時，計數(shù)器1和2的時鐘輸入是不同的，如表1所示：

表1 計數(shù)方向不同時的控制輸入

時鐘輸入CPUP1，CPUP2，CPDown1和CPDown2需要在向上和向下計數(shù)時能自動切換到相應(yīng)的信號，在學(xué)過的邏輯器件中，數(shù)據(jù)選擇器可以做到這一點(diǎn)。由于只有兩種情況，采用二選一的數(shù)據(jù)選擇器即可，此時選擇信號S就可以用來控制向上和向下計數(shù)。

計數(shù)到X時觸發(fā)改變計數(shù)方向可以通過計數(shù)器的輸出連接一個反饋電路做到，常用的是與非門電路。但注意到這樣的反饋信號只能持續(xù)一個節(jié)拍，因此計數(shù)只能是X-＞X+1-＞X循環(huán)計數(shù)。采用觸發(fā)器可以增加節(jié)拍，T觸發(fā)器具有有翻轉(zhuǎn)功能，用反饋信號作為T觸發(fā)器的時鐘輸入，則輸出就可以作為控制信號，其時序如圖1所示：

圖1 時序圖

通過上述分析，可以畫出如圖2所示的原理圖，其中給出了一些關(guān)鍵信號，一些沒有標(biāo)出的部分可以參考仿真電路圖?？梢钥闯觯瑢?shí)現(xiàn)本例中除了需要熟悉計數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇器和觸發(fā)器的功能，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生具備分析能力，只有這樣才會在解決問題的過程中不斷提高。

圖2 原理圖

2.2 Multisim仿真

在數(shù)字電路仿真中，Multisim是常用的中工具[7]。仿真電路圖如圖3所示，選取X=33，因此反饋電路可以由一個四輸入的與非門連接輸出組成，反饋信號F=

圖3 Multisim仿真電路

也就是說只有在計數(shù)器計到33時，觸發(fā)器電路才會收到一個下降沿，此時觸發(fā)器輸出C翻轉(zhuǎn)，由于控制信號S=C，因此會導(dǎo)致下一時刻計數(shù)方向發(fā)生變化，即在X+1=34時向下計數(shù)，由于下一時刻又會到達(dá)33，使得計數(shù)方向再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即在X-1=32時向上計數(shù)，最終使得計數(shù)器在33-＞34-＞33-＞32-＞33的規(guī)律下循環(huán)。

Multisim仿真是檢驗(yàn)問題求解是否正確的有效手段，學(xué)生可以簡單的從數(shù)碼管的數(shù)字顯示中判斷對錯，直觀又可行。若發(fā)現(xiàn)顯示有誤，引導(dǎo)學(xué)生查找出錯誤的原因，重新分析并設(shè)計電路，直到正確。

3 總結(jié)

本文探討了在數(shù)字電路教學(xué)中著重培養(yǎng)學(xué)生工科思維的方法，從實(shí)際問題到數(shù)學(xué)模型再到電路設(shè)計和Multisim仿真，有機(jī)地聯(lián)系這些環(huán)節(jié)，使整個學(xué)習(xí)過程形成一個閉環(huán)，有助于培養(yǎng)工科思維所需的思考習(xí)慣，并通過一個設(shè)計實(shí)例來闡述該方法的基本思想。