楊 丹， 徐 彬， 李景宏， 劉紀(jì)紅， 李貞妮

(東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 沈陽 110819)

“數(shù)字電子技術(shù)”是自動(dòng)化類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)學(xué)生從系統(tǒng)角度了解計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力具有重要作用。課程內(nèi)容主要包括數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識(shí)、基本門電路、組合邏輯和時(shí)序邏輯電路。新工科背景下，本課程要求學(xué)生在掌握基本概念、基本原理、基本方法的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)生掌握集成電路的邏輯特性，掌握組合邏輯和時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)方法，為今后相關(guān)專業(yè)課的編程學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”課堂教學(xué)內(nèi)容偏重于利用分立元器件和芯片設(shè)計(jì)簡單電路，教學(xué)內(nèi)容老化，知識(shí)點(diǎn)互相獨(dú)立，沒有突出專業(yè)教學(xué)體系結(jié)構(gòu)中硬件及組成原理所要掌握的重點(diǎn)，與后續(xù)課程連貫性不強(qiáng)，與計(jì)算思維培養(yǎng)的要求相去甚遠(yuǎn)。教學(xué)中學(xué)生主要以聽為主，留給學(xué)生們自己獨(dú)立做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間比較少，很難讓學(xué)生真正認(rèn)識(shí)數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)思路，實(shí)驗(yàn)完成主要是照著教師的電路原理圖進(jìn)行連線，不能把主要精力放在數(shù)字系統(tǒng)的各種邏輯運(yùn)算和邏輯處理的設(shè)計(jì)上，最終導(dǎo)致學(xué)生無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)缺陷所在，無法鍛煉學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)電路的能力。

以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法PBL(Problem Based Learning)是美國的神經(jīng)病學(xué)教授Barrows在加拿大的麥克馬斯特大學(xué)提出來的，現(xiàn)已成為國際上較流行的一種教學(xué)方法。該方法是將所要學(xué)習(xí)的知識(shí)以問題的方式提出來，可以有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，知識(shí)是點(diǎn)狀或片狀分布的，學(xué)生學(xué)習(xí)了某個(gè)具體的知識(shí)點(diǎn)但缺乏將所學(xué)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，形成知識(shí)體系。PBL則強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)置于復(fù)雜的有意義的問題情境中，通過讓學(xué)習(xí)者解決復(fù)雜的、實(shí)際的或真實(shí)性的問題，來學(xué)習(xí)隱含于問題背后的科學(xué)知識(shí)，因此容易使學(xué)生完成知識(shí)的同化和重組，對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，建立完整的認(rèn)知體系具有重要的作用。

新工科環(huán)境下，要求高校注重學(xué)生的系統(tǒng)認(rèn)知的建立、強(qiáng)調(diào)分析、設(shè)計(jì)、應(yīng)用等能力的培養(yǎng)，使得學(xué)生走出校門能夠快速適應(yīng)以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展，這就要求我們必須從問題出發(fā)對(duì)“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革。

1 課程改革的內(nèi)容

如何有效結(jié)合自動(dòng)化專業(yè)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)PBL教學(xué)方法與數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)體系的深度融合，實(shí)現(xiàn)新工科要求下自動(dòng)化類專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)。我校“數(shù)學(xué)電子技術(shù)”課程改革主要從如下三個(gè)方面開展。

1.1 研究面向PBL教學(xué)實(shí)施的“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

針對(duì)目前“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容與PBL教學(xué)方法實(shí)施需求之間存在的不足，重點(diǎn)研究面向?qū)W生問題化教學(xué)學(xué)習(xí)的“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。首先對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行評(píng)估，列出組合電路和時(shí)序電路、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、555定時(shí)器、A/D 和 D/A等內(nèi)容為課程的難點(diǎn)和重點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)體現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的問題化導(dǎo)向教學(xué)方案，強(qiáng)調(diào)在保留基礎(chǔ)和精髓的原則上給學(xué)生留出自學(xué)和發(fā)散思維的空間。

1.2 研究基于軟硬結(jié)合的知識(shí)點(diǎn)PBL教學(xué)仿真改革

分析現(xiàn)有數(shù)字邏輯教學(xué)模式問題，在理論教學(xué)中研究如何利用Multisim仿真軟件，進(jìn)行數(shù)字邏輯電路的實(shí)驗(yàn)，完成數(shù)字電路的測試與驗(yàn)證，主要包括集成門電路測試、組合邏輯電路設(shè)計(jì)及常見小規(guī)模邏輯電路設(shè)計(jì)。研究適合采用VHDL進(jìn)行數(shù)字邏輯單元電路設(shè)計(jì)及仿真。探究“數(shù)字電子技術(shù)”中硬件和軟件仿真過程中的仿真現(xiàn)象，從仿真現(xiàn)象提出問題，引導(dǎo)學(xué)生不僅了解芯片的原理，掌握設(shè)計(jì)完成出芯片的功能，通過軟硬結(jié)合的仿真現(xiàn)象導(dǎo)向，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，提升教學(xué)效果。

1.3 研究結(jié)合混合式教學(xué)，小班授課深化PBL教學(xué)方法

針對(duì)新型的培養(yǎng)模式將工程畢業(yè)生的能力培養(yǎng)分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和工程系統(tǒng)能力4個(gè)層面，要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這4個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。在“數(shù)字電子技術(shù)”的混合式教學(xué)中，探索PBL的教學(xué)方法改革。學(xué)生以小組為單位，以學(xué)生分析討論為主，教師講授為輔，通過問題化教學(xué)內(nèi)容，通過競爭機(jī)制引導(dǎo)學(xué)生思考，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)思路，探索多媒體互動(dòng)學(xué)習(xí)方式，擬利用線上Mooc學(xué)習(xí)、雨課堂的app互動(dòng)，增加師生多元互動(dòng)。

2 實(shí)施方案

2.1 “數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

“數(shù)字電子技術(shù)”課程概念性、實(shí)踐性、工程性都很強(qiáng)，教學(xué)中應(yīng)特別注重理論聯(lián)系實(shí)際和工程應(yīng)用背景；主要討論集成電路器件的外部特性，對(duì)門電路內(nèi)部晶體管的工作原理及狀態(tài)轉(zhuǎn)換只作定性了解。要求學(xué)生掌握數(shù)字電路的基本概念、基本原理和基本方法，了解基于VHDL的FPGA 數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)和工具。數(shù)字電路部分要求學(xué)生掌握數(shù)制及編碼、邏輯代數(shù)及邏輯函數(shù)的知識(shí)；掌握組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)方法，熟悉常用的中規(guī)模組合邏輯部件的功能及其應(yīng)用；掌握同步時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法，典型的中大規(guī)模時(shí)序邏輯部件。為“微處理器與系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“嵌入式系統(tǒng)”“數(shù)字通信”等后續(xù)課程進(jìn)行了基礎(chǔ)知識(shí)準(zhǔn)備?；谏鲜稣n程目標(biāo)及需求，結(jié)合PBL教學(xué)方法，設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容如下：

(1)基本知識(shí)的學(xué)習(xí)：數(shù)制與編碼、邏輯代數(shù)與邏輯函數(shù)化簡、VHDL真值表和VHDL邏輯表達(dá)式、組合邏輯電路及VHDL描述。

(2)綜合能力的提升：MSI組合邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法、觸發(fā)器原理及邏輯功能、觸發(fā)器的VHDL描述、同步時(shí)序電路的分析與設(shè)計(jì)方法、MSI同步時(shí)序電路的分析和設(shè)計(jì)方法、555定時(shí)器原理及典型應(yīng)用、ROM的基本原理及應(yīng)用。

(3)創(chuàng)新知識(shí)的運(yùn)用：DA和AD轉(zhuǎn)換器的原理及應(yīng)用、555定時(shí)器、計(jì)數(shù)器及DA和AD的綜合應(yīng)用、VHDL的數(shù)字頻率計(jì)FPGA設(shè)計(jì)。

2.2 基于軟硬結(jié)合的知識(shí)點(diǎn)PBL教學(xué)仿真

考慮到“數(shù)字電子技術(shù)”課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，將知識(shí)點(diǎn)圍繞問題展開，采用軟件Multisim仿真和VHDL語言設(shè)計(jì)綜合的教學(xué)過程，步驟如下：

1) 組合邏輯電路Multisim仿真設(shè)計(jì)

組合邏輯電路仿真：對(duì)于三人表決、一位全加器、奇偶校驗(yàn)器等中規(guī)模組合電路，分別通過邏輯門搭建等效邏輯電路實(shí)現(xiàn)MSI組合邏輯電路功能和仿真基于MSI組合邏輯芯片的應(yīng)用組合電路。時(shí)序電路仿真：對(duì)于計(jì)數(shù)器，分別采用觸發(fā)器和中規(guī)模計(jì)數(shù)芯片實(shí)現(xiàn)，如74160、74161等，在仿真過程中根據(jù)問題回溯，探尋理論依據(jù)。

2)綜合邏輯電路VHDL設(shè)計(jì)

以“籃球24秒顯示報(bào)警電路設(shè)計(jì)”項(xiàng)目為例，項(xiàng)目實(shí)施分為構(gòu)思階段、設(shè)計(jì)階段、實(shí)施階段。PBL教學(xué)能力培養(yǎng)層次分為入門基礎(chǔ)、完善提高和能力進(jìn)階：①入門基礎(chǔ)：要求實(shí)現(xiàn)二極管10秒顯示和數(shù)碼管10秒顯示，知識(shí)點(diǎn)包括二極管共陰共陽數(shù)制、編碼門電路、數(shù)碼顯示原理、譯碼器、編碼器觸發(fā)器；采用Multisim仿真和FPGA實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)；②完善提高：要求24秒進(jìn)攻違例顯示(Multisim仿真)、開關(guān)防抖、聲光報(bào)警(FPGA實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn))；知識(shí)點(diǎn)包括多諧振蕩器、鎖存器、計(jì)數(shù)器、反饋控制電路、組合邏輯和時(shí)序邏輯；③能力進(jìn)階：類比交通燈控制電路、數(shù)字顯示搶答器電路、數(shù)字鐘電路，均通過FPGA實(shí)驗(yàn)箱仿真實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

2.3 結(jié)合混合式教學(xué)，小班授課深化PBL教學(xué)方法

本校在中國MOOC上的“數(shù)字電子技術(shù)”線上課程已積極開展自動(dòng)化專業(yè)的數(shù)字邏輯混合式教學(xué)，課程成績由線上課程和線下成績組成，混合式教學(xué)在東北大學(xué)智慧教室實(shí)施。實(shí)施線上學(xué)習(xí)12學(xué)時(shí)，線下翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)6學(xué)時(shí)。線上12學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括：卡諾圖化簡法、MSI構(gòu)成的組合電路設(shè)計(jì)、MSI集成計(jì)數(shù)器構(gòu)成任意計(jì)數(shù)器、可編程邏輯器件概述、開發(fā)流程、表示方法及FPGA等。

1) 第一次翻轉(zhuǎn)課堂：邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡法

引導(dǎo)問題：

(1)為什么采用卡諾圖對(duì)邏輯函數(shù)進(jìn)行化簡？

(2)卡諾圖中最小項(xiàng)的排列順序是怎樣形成的，有什么樣的特點(diǎn)？

(3) 卡諾圖的一般化簡方法？

(4)引入無關(guān)項(xiàng)后的卡諾圖化簡與不采用無關(guān)項(xiàng)的卡諾圖化簡的區(qū)別，為什么無關(guān)項(xiàng)的引入不會(huì)影響實(shí)際應(yīng)用？

2) 第二次翻轉(zhuǎn)課堂：組合邏輯電路設(shè)計(jì)

引導(dǎo)問題：

(1)組合邏輯電路設(shè)計(jì)方法有哪些？

(2)數(shù)據(jù)選擇器有哪幾種常用的設(shè)計(jì)方法？

(3)74138的使能端有什么要求？如何將邏輯函數(shù)用74138來表示？

(4)在組合電路設(shè)計(jì)時(shí)，器件的選型應(yīng)該注意什么？

3) 第三次翻轉(zhuǎn)課堂：綜合邏輯電路設(shè)計(jì)

引導(dǎo)問題：

(1)計(jì)數(shù)器有哪些常用的芯片？

(2)構(gòu)成任意計(jì)數(shù)器有哪些常用的設(shè)計(jì)方法？

(3)74161芯片中置位端和清零端分別有效時(shí)對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的影響有什么不同？

(4)74161能否用作寄存器？如何使用？

每次翻轉(zhuǎn)課堂中，學(xué)生均以小組為單位，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容安排，并針對(duì)提出的引導(dǎo)問題，深入思考，進(jìn)一步加強(qiáng)理論教學(xué)內(nèi)容的理解。

4 結(jié)語

教學(xué)理念及設(shè)計(jì)已應(yīng)用于我校自動(dòng)化專業(yè)的“數(shù)字電子技術(shù)”課程。實(shí)施過程中試點(diǎn)，選取2個(gè)班、60人作為試點(diǎn)班級(jí)。目前，試點(diǎn)教學(xué)效果良好，下一步將會(huì)深化教學(xué)實(shí)踐改革，對(duì)比數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化實(shí)踐效果。