“數(shù)字電子技術(shù)”課程信息融合的教學(xué)方法

郭天圣，姜惠敏，柴兆森

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832000)

0 引言

“數(shù)字電子技術(shù)”課程以組合與時序邏輯電路的分析與設(shè)計為基礎(chǔ)，將數(shù)字電路的設(shè)計、實(shí)現(xiàn)方法與可編程邏輯器件相結(jié)合，融入現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計理念，以培養(yǎng)“電子產(chǎn)品生產(chǎn)與設(shè)計”崗位群為課程目標(biāo)，是電類等相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是培養(yǎng)電子產(chǎn)品設(shè)計、分析、調(diào)試和制作能力的專業(yè)技能課程。這對本專業(yè)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的后續(xù)核心專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和技能培養(yǎng)具有重要意義［1］。

在“數(shù)字電子技術(shù)”課程的教學(xué)過程中，有人提出了目標(biāo)驅(qū)動法和項目教學(xué)法等［2，3］。但這些方法存在一個問題:它們都是基于數(shù)字電子教學(xué)內(nèi)容本身去討論和研究;況且，在“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容中，沒有充分挖掘本課程教學(xué)內(nèi)容各知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，只是就教學(xué)內(nèi)容中獨(dú)立的知識點(diǎn)進(jìn)行剖析，沒有對內(nèi)容進(jìn)行信息融合。本文將以上的問題稱為信息融合缺失。

為了解決信息融合缺失所帶來的問題，本文針對性地提出了信息融合教學(xué)方法的概念。所謂的信息融合教學(xué)方法是教師在備課的過程中，充分認(rèn)識本課程內(nèi)部各知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，本課程和其他課程之間的聯(lián)系。在授課的過程中，教師應(yīng)充分引導(dǎo)學(xué)生建立本課程內(nèi)部各知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，本課程和其他課程之間的聯(lián)系，從而讓它們構(gòu)建起網(wǎng)狀知識架構(gòu)。

1 課程信息融合缺失

1)課程內(nèi)部知識點(diǎn)的信息融合缺失

大部分“數(shù)字電子技術(shù)”教材在編排上已考慮了課程各個知識點(diǎn)的聯(lián)系，但在文字上卻沒有充分說明。如果任課教師沒有深入挖掘知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，只按照教材上的內(nèi)容向?qū)W生做羅列式的講解，大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中很難有意識地去建立知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，而只是識記知識點(diǎn)，學(xué)習(xí)效率不會高，本文將其稱為課程內(nèi)部信息融合缺失。

2)課程關(guān)聯(lián)信息融合缺失

“數(shù)字電子技術(shù)”課程所研究的很多內(nèi)容是后續(xù)的“單片機(jī)技術(shù)”和“EDA技術(shù)”等計算機(jī)課程的基本操作對象［4］。由于“數(shù)字電子技術(shù)”課程的任課教師通常很難有意識地向?qū)W生說明學(xué)習(xí)內(nèi)容對以后課程的意義，而只是孤立地講解本課程相關(guān)的內(nèi)容，學(xué)生也很難意識到“數(shù)字電子技術(shù)”課程知識點(diǎn)和其他課程的聯(lián)系，因此也不會有意識地去強(qiáng)化對以后學(xué)習(xí)較為重要的內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)后續(xù)課程時感到基礎(chǔ)不足。筆者曾經(jīng)為“單片機(jī)”課程作過課堂調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生對學(xué)過的“數(shù)字電子技術(shù)”課程的概念模糊。比如“有效電平”這個概念，學(xué)生已在“數(shù)字電子技術(shù)”時學(xué)過，但沒有意識到這個概念對以后要學(xué)的功能芯片管腳功能和信號形式識別所起的作用。本文將其稱為課程關(guān)聯(lián)信息融合缺失。

3)課程實(shí)驗信息融合缺失

實(shí)驗可以分為實(shí)體實(shí)驗和仿真實(shí)驗。實(shí)體實(shí)驗具有真實(shí)性和直觀性，它是實(shí)驗最重要的形式。仿真實(shí)驗具有以下特點(diǎn):

(1)經(jīng)濟(jì)性和方便性—仿真實(shí)驗需要計算機(jī)和仿真軟件作為基礎(chǔ)。計算機(jī)和仿真軟件的獲取比較容易方便，而且實(shí)驗過程不受時間和地點(diǎn)的限制。

(2)透明性—仿真實(shí)驗可以通過特定的途徑實(shí)現(xiàn)實(shí)驗過程的透明化，從而可以更為深刻地展示實(shí)驗的過程，驗證實(shí)驗相關(guān)的假設(shè)和理論。比如采用Protues仿真平臺，可以通過圖形仿真，實(shí)現(xiàn)交互式仿真。在仿真過程中，學(xué)生可用虛擬儀器觀察電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)或者節(jié)點(diǎn)之間的電壓、電流、電位和波形等電量參數(shù)。

仿真實(shí)驗隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟可靠，可以取得良好的效果。但教師很少強(qiáng)調(diào)和實(shí)體實(shí)驗之間的聯(lián)系。大部分人認(rèn)為仿真實(shí)驗是實(shí)體實(shí)驗的補(bǔ)充，只是把仿真實(shí)驗作為豐富教學(xué)方法的手段在課堂演示說明。在實(shí)驗室一般都是采用實(shí)體實(shí)驗來驗證理論，從而忽視仿真實(shí)驗和實(shí)體實(shí)驗的聯(lián)系。把仿真實(shí)驗和實(shí)體實(shí)驗分離的現(xiàn)象稱為課程實(shí)驗信息融合缺失。

2 基于信息融合教學(xué)方法的必要性

在“數(shù)字電子技術(shù)”課程的教學(xué)過程中，由于上述的課程信息融合缺失，學(xué)生難以高效建立“數(shù)字電子技術(shù)”課程內(nèi)部各知識點(diǎn)的聯(lián)系以及該課程和其他課程之間的聯(lián)系。我們可以用基于信息融合教學(xué)方法來解決以上問題。信息融合教學(xué)方法有如下特點(diǎn)。

1)幫助教師確定教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)

教師在教學(xué)的過程中，對于每門課，都應(yīng)注意到這門課對后續(xù)課程的影響，從而根據(jù)后續(xù)課程的需要，確定本課程教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如果教師通過信息融合，就會意識到所講授的課程哪些內(nèi)容對后續(xù)課程有重要關(guān)聯(lián)。他在選擇講授的重點(diǎn)和難點(diǎn)時，可以避免選擇結(jié)果的盲目性和隨意性。

2)幫助學(xué)生認(rèn)識到課程知識點(diǎn)之間的聯(lián)系

“數(shù)字電子技術(shù)”課程的各個知識點(diǎn)之間具有緊密的聯(lián)系，如果能讓學(xué)生充分認(rèn)識到這種聯(lián)系，他們就會較為容易地從全局把握該課程的內(nèi)容，做到事半功倍的效果。

如果能讓學(xué)生認(rèn)識到“數(shù)字電子技術(shù)”課程知識點(diǎn)和計算機(jī)硬件課程知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，讓他們不僅深入理解了“數(shù)字電子技術(shù)”課程相關(guān)的知識點(diǎn)，也會對計算機(jī)體系有一個提前的認(rèn)識，為他們以后學(xué)習(xí)計算機(jī)類課程做了鋪墊。

3)仿真實(shí)驗和實(shí)體實(shí)驗的有機(jī)結(jié)合

學(xué)生通過組合實(shí)驗(仿真實(shí)驗和實(shí)體實(shí)驗在實(shí)驗室同步進(jìn)行的實(shí)驗)，既可以直觀地觀察到具有真實(shí)性和直觀性的實(shí)體實(shí)驗。又通過仿真實(shí)驗，可以透明化實(shí)體實(shí)驗內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。學(xué)生通過組合實(shí)驗解決了在實(shí)體實(shí)驗中，由于實(shí)驗芯片的不可觀測性，無法獲取內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的信息，也無法更為深入理解電路原理的問題。

3 信息融合教學(xué)法的注意點(diǎn)

1)認(rèn)真理解課程內(nèi)部各知識點(diǎn)之間以及和其他課程的聯(lián)系。

比如“數(shù)字電子技術(shù)”課程和“單片機(jī)”課程聯(lián)系最為密切，在知識點(diǎn)上的對比聯(lián)系如表1所示［5，6］。

表1 “數(shù)字電子技術(shù)”和“單片機(jī)”課程關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)對比

在教學(xué)過程中，“數(shù)字電子技術(shù)”課程的任課教師很容易忽視時序圖對“單片機(jī)”課程的意義，而“單片機(jī)”課程的任課教師也不特別重視時序概念的講解。因此，大部分學(xué)生在學(xué)完“單片機(jī)”課程后，也不會用時序圖輔助程序編寫。因為基于功能芯片的時序圖進(jìn)行編程，可以直觀和準(zhǔn)確地理解時序，避免由于文字描述理解的錯誤，出現(xiàn)編程上的時序錯誤，從這個角度看，時序?qū)τ布?qū)動的編程極為重要。

2)課外輔助材料準(zhǔn)備

“數(shù)字電子技術(shù)”課程的教學(xué)要以教材為藍(lán)本，但絕不能局限教材本身，因為教材本身的信息不足以滿足信息融合的需要。任課教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的需要，準(zhǔn)備教學(xué)的輔助材料。比如，為了讓學(xué)生從CPU的緩存去類比觸發(fā)器的作用，任課教師應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生閱讀與緩存相關(guān)的一些材料。仿真軟件不可能在課堂上充分講解，教師也應(yīng)該準(zhǔn)備學(xué)生自學(xué)仿真軟件的材料。

3)仿真實(shí)驗的局限性

因為仿真軟件只是考慮了其所仿真的實(shí)體元件的部分特性，在有些情況下部分參數(shù)無法收斂。一些在實(shí)體實(shí)驗中能正確的實(shí)驗可能在仿真實(shí)驗無法通過。比如同步電平SR觸發(fā)器在Protues平臺上是不可仿真的，但在實(shí)體實(shí)驗中證明是正確的。仿真實(shí)驗雖然可以通過特定手段觀察實(shí)驗電路內(nèi)部的信息，但其缺乏真實(shí)性?？梢姺抡鎸?shí)驗和實(shí)體實(shí)驗之間具有良好的互補(bǔ)性。仿真實(shí)驗不能作為實(shí)驗的唯一手段，在有條件的的時候要進(jìn)行組合實(shí)驗。

［1］劉銀萍，陳惠珊.“數(shù)字電子技術(shù)”實(shí)驗教學(xué)改革的探討［J］.上海:實(shí)驗室研究與探索，2006，25(8):980-7983.

［2］張學(xué)成.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗改革與創(chuàng)新［J］.湘潭:當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2011，30(8):285-288.

［3］張紅波，吳海，王麗球.目標(biāo)驅(qū)動的體驗式課程教學(xué)模式研究與實(shí)踐［J］.上海:實(shí)驗室研究與探索，2011，3(8):60-61.

［4］劉亞峰.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗課程的改革與研究［J］.哈爾濱:煤炭技術(shù)，2003，22(10):111-112.

［5］閆石，數(shù)字電子技術(shù)(第5版)［M］.北京:高等教育出版社出版社，2006.5

［6］杭和平，單片機(jī)原理與應(yīng)用(第一版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.4