新工科背景下数字电子技术教学改革探究

李宏杰 常盛华

摘要：为了培养学生的爱国主义情怀和社会责任感，提高学生学习数字电子技术的积极性，探究了一种新工科背景下数字电子技术教学改革方法。文章分别从课堂导入环节、教学目标设定、课堂组织形式、课堂目标评价四个方面进行介绍，并且把嫦娥五号月球探测器发射环节融入课堂教学，验证课本理论正确的同时提高了学生的民族自豪感，同时为后续专业课程学习做好知识铺垫。

关键词：新工科体系;数字电子技术;嫦娥五号探测器;教学改革

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）12-0116-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

数字电子技术是一门电子信息类工科专业所必修的专业基础课，通过数字电子技术课程的学习，学生们可以掌握布尔逻辑、门电路、触发器、组合逻辑电路、时序逻辑电路、AD/DA转换等知识[1]，为后续单片机原理、嵌入式原理及应用等课程做好知识铺垫。然而，传统的数字电子技术课堂教学老师在课上只讲解课本主干理论知识，学生课下仅靠做课后习题进行知识巩固，这种陈旧的教学模式很难调动学生的课堂积极性和学习兴趣，同时由于采用的教材一般为国家规划类的工科教材，课本中除了规定的主干知识以外很少有新工科体系元素融入进去，不能较好地体现新时代高等教育“立德树人”的根本任务和使命[2]。

将新工科体系元素融入课堂是时代的需要，陈宝生部长曾在新时代全国高等学校本科教育工作会议上指出“坚持以本为本，推进四个回归”，尤其是在新冠疫情常态化背景下世界各国进入百年未有之大变局，“立德树人”成了高等教育的一项根本使命和任务，如何将新工科体系元素更好地融入专业课程学习成了一项所有高校专任教师亟待解决的问题。

为了培养学生的爱国主义情怀和社会责任感，挖掘数字电子技术中所蕴含的新工科体系元素，本文探究了一种新工科体系背景下数字电子技术教学改革方法。分别从课堂导入环节、教学目标设定、课堂组织形式、课堂目标评价四个方面进行介绍，并且把嫦娥五号月球探测器发射环节引入课堂教学，验证课本理论正确的同时提高了学生的民族自豪感，为后续专业课程学习做好知识铺垫。

1 传统数字电子技术理论教学模式

传统的数字电子技术理论教学模式是由教师在课上仅讲解课本主干知识，通常不会把新工科体系元素融入课堂教学中去，学生在课下通过做课后习题进行练习巩固的模式。例如在学习数字电子技术第六章第四小节“计数器”时，教师首先给出计数器的概念和分类，然后通过讲解由触发器设计的计数器使学生了解计数器的工作过程和原理，最后通过讲解集成计数器使得学生能够掌握反馈清零法、反馈置数法和级联法，并且可以综合运用以上三种方法来设计任意进制的计数器。图1为由T触发器组成的四位二进制加法计数器，由于T触发器的特性方程为：

[Qn+1=T⊕Qn]                     （1）

当T触发器的输入端接到高电平1时，T触发器的特性方程就变成了：

[Qn+1=Qn]                                   （2）

因此时钟信号每来一个上升沿信号，FF1的输出端Q1就会翻转一次。其余三个T触发器FF2～FF4的输入端都接成来自其i-1低位输出的逻辑与，只有各触发器的i-1低位都输出为高电平时，第i位才能实现翻转，这样就实现了四位二进制加法计数的功能。

在讲解了由触发器设计的计数器之后，学生们可以从中了解计数器的工作过程和原理，接着就讲解如何利用集成计数器来设计任意进制计数器，在讲解过程中给出反馈清零法、反馈置数法、级联法三种构造计数器的方法。最后通过讲解一道例题，如何利用集成同步十进制计数器74LS160来构造60进制加法计数器，如图2所示。该示例采用了反馈清零法和级联法，想要构造60进制计数器，就需要低位片设置成10进制，高位片设置成6进制，然后低位片和高位片级联就设计成了60进制计数器。由于74LS160是异步清零方式，因此高位片想要设置成6进制的清零逻辑为，这样就构造出来了60进制加法计数器。

传统的数字电子技术理论教学模式虽然看似原理简单，便于学生理解，但是这些知识往往都是学生在课堂上被动学习和接受的，有相当一部分学生对于这些枯燥的理论没有学习兴趣，课堂抬头率不高，学生对于这些知识的概念仅仅停留在“会做题，会考试”的层次上[4]。而且，传统的数字电子技术理论教学模式没有把新工科体系元素融入进去，不能较好地体现高等教育中“立德树人”的根本任务和使命。

2 新工科体系背景下数字电子技术理论教学模式

新工科体系背景下数字电子技术理论教学模式采用以“项目导向化”的方式进行知识链组织和讲授，以“面向产出”为根本的教育理念，同时在知识传授过程中充分挖掘知识链中所蕴含的新工科体系元素[5]。同样，还是以上文中提到的数字电子技术第六章第四小节“计数器”的知识为例。课堂以专题的形式展开，共分为以下4个环节：（1）课堂知识导入，通过当前时事新闻和爱国主义范例引入本节所要讲解知识;（2）以生活中常见的电子器件设计为课堂教学目标，提高学生的学习热情;（3）课堂组织形式采用小组合作形式，分组协作讨论设计原理和思路;（4）通过Multisim和QuartusII仿真软件进行原理验证，最终制作出来实物进行感受并且做出合理公正的课程目标评价。

2.1 新工科體系背景下的课堂导入环节

本次授课在讲解“计数器”之前，首先启发学生寻找生活中用到计数功能的电子设备，从交通红绿灯到倒计时电路，从起床闹钟到火箭发射倒计时点火，这些情景都涉及了计时、计数的功能。为了提高学生的爱国主义情怀和民族自豪感，本节“计数器”课程的导入环节采用“嫦娥五号”卫星月球挖壤。在2020年11月24日凌晨，我国在中国文昌航天发射场，用长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器，这是人类时隔44年再一次用探测器登录月球表面并带回月球土壤标本，我国也成了世界上继美、苏之后第三个实现月球采样返回的国家[6]。更深层次讲，习近平总书记在主持全国科学家座谈会上发表重要讲话：“我国经济社会发展和民生改善比过去任何时候都更加需要科学技术解决方案，都更加需要增强创新这个第一动力”。这就要求我们所有同学更好地学习专业知识，练就过硬的本领，为中华民族的伟大复兴贡献出自己的力量。长征五号运载火箭发射升空前的倒计时点火情景就可以引入本节课所要讲解的“计数器”的知识，同时通过“嫦娥五号”成功实现月球挖壤可以提高学生的爱国主义情怀和民族自豪感，达到将新工科体系元素引入课堂的目的。

2.2 新工科体系背景下的课堂教学目标设定

为了提高学生们的学习热情，并且结合本节课所要讲的“计数器”的知识目标，以“项目导向法”为教学的组织手段，最终选取以制作一个计数报警器为本次授课的教学目标，要求学生们制作一个60进制的计數报警器，输入级以四角开关作为脉冲输入，每按一次开关产生一个计数脉冲信号。中间级通过74LS192计数器的级联和反馈清零设计60进制计数器。输出级以555定时器构成单稳态触发器，触发之后产生10s的高电平来驱动蜂鸣器和LED灯进行声光报警。这样学生在学习计数器的知识时既可以学习反馈清零、反馈置数、级联等设计任意进制计数器的方法，又可以把555定时器的知识综合进去，在学习过程中学生还可以通过Multisim、QuartusII等仿真软件进行仿真验证，最后动手制作PCB来进行实物感受。

2.3 新工科体系背景下的课堂组织形式

新工科体系背景下的课堂组织形式采用“雨课堂+大学慕课”的形式，首先在课程开课之前先让学生们在大学慕课上预习课程知识，使学生带着问题来学习，进而引发学生的头脑风暴[7]。在课上通过小组合作的形式，让学生们分组讨论设计原理和方案，培养他们的团队协作意识。然后每个小组派一名代表到讲台上讲解自己小组的设计思路和方案，大家一起讨论其优缺点。在此过程中遇到学生们无法解决的问题，可以通过雨课堂发布弹幕的形式进行课堂提问，老师进行集体重点讲解和答疑，再通过雨课堂发布习题来检验学生掌握的程度，体现“翻转课堂”的教学理念，提高了学生的学习热情，有效解决了课堂抬头率不高的问题。

2.4 新工科体系背景下的课程目标评价

新工科体系背景下的课程目标评价采用项目成果评价形式，即以小组为单位提交各位学生制作的计数报警器实物和设计说明书。通过设计实物的好坏和设计说明书的内容对每位学生的掌握程度做出合理公正的评价，将其成绩计入期末考试的过程考核分数中，图3为学生制作的计数报警器实物。

3 结束语

本文首先介绍了传统数字电子技术的理论教学模式，针对传统数字电子技术理论教学模式陈旧、不能较好地融入课堂思政等缺点，探究了一种新工科体系背景下数字电子技术理论教学改革方法，分别从课堂导入环节、教学目标设定、课堂组织形式、课程目标评价四个方面进行教学改革探究，同时把嫦娥五号月球探测器发射环节融入课堂教学，验证课本理论正确的同时提高了学生的民族自豪感，同时为后续专业课程学习做好知识铺垫。

参考文献：

[1] 覃爱娜，李飞，陈革辉，等.《数字电子技术》课程思政建设与实践探索[J].创新创业理论研究与实践，2020，3（24）：10-12，15.

[2] 张丽，王立国，刘景艳，等.课程思政视角下数字电子技术教学改革实践与探索[J].教育教学论坛，2020（26）：93-95.

[3] 刘悦婷.将课程思政融入《数字电子技术》课程的教学探索[J].兰州文理学院学报（自然科学版），2019，33（3）：120-122.

[4] 成凤敏.《数字电子技术》课程思政建设探讨[J].电子世界，2019（6）：106.

[5] 朱国贤，谢木标，陈静，等.无机化学教学中“课程思政”教育的探索与实践[J].大学化学，2021，36（3）：38-43.

[6] 崔艳.将思政教育融入《数字电路》课堂的探索[J].决策探索（下），2019（8）：79.

[7] 丁世林，王洁雯.在有意与无意之间：课程思政实施策略研究[J].佳木斯大学社会科学学报，2019，37（6）：169-172.

【通联编辑：王力】