在“数字电子技术”教学中培养学生创新能力

谢剑斌,李沛秦,闫 玮,刘 通,丁文霞

(国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙 410073)

“数字电子技术”(简称“数电”)是高等院校工科电子信息、电气信息类各专业和部分非电类本科生必修的技术基础课[1]。学生通过学习后不但掌握数字电子技术的基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验技能,而且可使学生提高系统集成能力、综合应用能力和仿真实验能力,并使学生建立以下三个重要观念[2]:①系统观念:一个数字电子系统从信号的获取和输入、数字处理、输出和驱动,到各部分电路之间的功能作用、参数设置和逻辑关系等需要相互协调,只有通盘考虑和全面调试才能获得理想效果;②科学进步观念:数字电子技术的发展,比其它任何技术都快,学习数字电子技术时应立足于基础,放眼于未来;③创新观念:电子器件的产生背景、电路构思和应用实现都具有启发性,能够充分发挥学生的想象力和创造力。

1 基于创新思维法的数电教学

1.1 要求教学过程创设问题情境

我们首先根据教学内容的难易、重点确定要求学生“发现”的学科结构,然后向学生提出要解决的中心课题,要求他们分析问题情境,探索问题的解决方法。譬如在“裁判电路设计与实现”的教学中,首先让学生进行“二人平等裁判的电路设计与实现”;然后进行“三人主副裁判的电路设计与实现”;最后,向学生提出如何裁决“只有两个裁判同意”的问题,引发学生思考,设计出各种各样的规则与电路,组织大家讨论,评选出社会实践活动中常用的电路[3]。

1.2 要求启发点拨与分析验证

我们鼓励学生开展讨论,让学生在特意制造的矛盾环境中处于思考的思维状态之中,他们可以通过提方案、相互补充和正反对比等多种探讨过程,对所拟订的方案进行检验。学生拟订的方案在讨论或实验中加以验证,讨论验证可在同桌或小组间进行。我们在这一环节中力求把握学生情况,主动获取信息,达到课堂内的及时反馈和指导[4]。

1.3 要求归纳总结与掌握应用

我们对学生整个讨论和检验过程进行总结,补充教学计划要求的每一个知识点,同时指出重点和难点,以作业形式布置给学生。在教学过程中,我们引导学生积极逆向思考,在掌握有关知识并获得成功感时,巧设悬念,引发他们进一步的求知欲[5]。

1.4 合理充分运用逆向思维法

逆向思维存在多种形式,如结构与位置的互换:上与下、左与右等;过程上的逆转:电与磁的转换等;逻辑代数中的反演定理:“0”与“1” 、“+”与“·” 、原变量与反变量的替换。逆向思维能够克服思维定势,破除由经验和习惯造成的僵化认识模式。譬如在讲述半导体存储章节时,引导学生采用批判性原则,深入认识半导体存储介质与传统磁介质的差异。

2 “数字电子技术”教学实践

在讲授“数字电子技术”课程时,我们采用发现法和逆向思维法,讲清器件与电路产生的需求背景、在系统中的作用、组成结构、分析方法及存在的新问题等,再现器件与电路的获得过程;使得学生虽然学的多是间接知识,但在教学过程中有新发现的感觉,有新发展的自信心,模拟科学家的探索过程,激发其求知欲和创造欲,活跃学术思想[6]。在实验和作业的过程之中,我们启发学生独立思考和逆向思维,通过自己学习来发现知识和掌握原理,使学生用自主和探索的态度积极学习。以下给出几个采用创新思维法进行数电教学的具体实例。

2.1 格雷码的应用

在讲述格雷码之前,我们首先分析普通BCD编码存在的问题,譬如从3转换成4时普通BCD编码的每一位都要变,产生很大的尖峰电流脉冲,而且容易出错。那么,有无办法每次变化都只有一位,否则就认为控制数据出了问题呢?我们可根据学生建议设计出任意两个相邻码组之间只有一位码元不同的编码,得到多种形式的格雷码。最终大家深刻体会到:格雷码减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆,格雷码是错误最小化代码。大家列举出格雷码可以应用在电梯控制、巡航导弹、航天飞机和核弹控制等高安全系统之中。

2.2 基于反函数的卡诺图化简

在讲述卡诺图化简内容时,我们首先讲授常规方法,就是对1构成的最小项进行组合与化简,所得到的结果为F。但是对于一些1项特别多的函数式,其卡诺图化简采用常规方法非常繁琐。如果采用逆向思维,通过基于反函数的化简方法则十分快捷。以图1为例,从卡诺图可以看出1项很多,常规化简比较繁琐,此时引导学生对0组成的非最小项进行组合化简,可以很快地得到 F,然后取反得到F,有

图1 基于反函数的卡诺图化简实例

基于反转原则的逆向思维法不仅可以提高卡诺图化简的效率,而且充分调动了学生学习的积极性。

2.3 最大项和最小项转化关系的应用

在讲最大项和最小项的转化关系时,学生不容易理解。于是,我们采用基于转换原则的逆向思维法,首先通过Morgan定理(反演律)推导出如下公式:

然后,通过下面的具体实例,引导学生深入理解最大项和最小项转换关系的巧妙应用方法。

通过上面的推导,使学生理解Y等于最小项第3、6、7 项之和,也等于最大项第 0、1、2、4、5项之积 。

3 结语

“数字电子技术”课程通过六年多的创新思维教学实践与尝试,各届学生无论在专业学习的兴趣方面,还是在学业成绩方面,都有大幅提高。很多学生动手制作了构思巧妙并具有一定实用价值的电子作品。尤其是一些爱动脑筋的学生,从学习该课程中发现知识理解的新方法,逆向思维出习题解答的新思路。学生学会思维探索,提高对知识的理解记忆,为课程学习打下了坚实基础。

[1] 阎石.数字电子技术基础(Ver5)[M].北京:高等教育出版社,2006.05

[2] 清华大学自动化系电子技术基础教学组.电子技术基础课程的建设与实践[C].北京:2004.12

[3] 康华光.电子技术基础:数字部分(Ver4)[M].北京:高等教育出版社,2000

[4] 王志功译.CMOS数字集成电路分析与设计[M].北京:电子工业出版社,2005

[5] 阎石.数字电子技术基础(Ver4)教师手册[M].北京:高等教育出版社,2003.6

[6] 谢剑斌.基于发现法的数字电子技术课程教学[C].长沙:湖南省教育年会征文,2009.6