思維教學在數(shù)字電子技術(shù)中的應用

丁巖松，王曉麗，薛海鷹

（陸軍裝甲兵學院，北京 100072）

1 引言

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》（以下簡稱“數(shù)電”）是高等工科院校電氣類、自控類和電子類專業(yè)在電子技術(shù)方面的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有自身的體系和很強的實踐性。

“數(shù)電”的前繼課程為模擬電子電路，后續(xù)課程是微型計算機原理，起著承上啟下的作用。如何學好這門課程？經(jīng)驗來談，學生在經(jīng)過《電路》和《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》兩門課程的學習后，往往將“數(shù)電”的學習理解為物理電路的學習,其思維方式也還局限在連續(xù)、模擬概念上，沒有形成離散的、數(shù)字化的概念，缺乏對知識的思考和總結(jié)。而這種思維模式的轉(zhuǎn)變，也正是取決于教師的課堂引導[1]。因此，要教好和學好“數(shù)電”這門課，思維方式轉(zhuǎn)變必然成為教師教學和學生學習中不容忽視的問題。具體來說，將思維方式的轉(zhuǎn)變歸納為以下幾點，即：“模擬”到“數(shù)字”的思維轉(zhuǎn)變；“數(shù)學”到“邏輯”的思維轉(zhuǎn)變；“分立”到“集成”的思維轉(zhuǎn)變；“理論”到“實踐”的思維轉(zhuǎn)變。

2 思維方式的轉(zhuǎn)變

2.1 “模擬”到“數(shù)字”的思維轉(zhuǎn)變

由于一般院校的課時安排都是先開《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》，幾周后《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》再開課，學生容易搞不清楚這兩門課差別究竟在何處。因此，在“緒論”部分，應該重點介紹“模擬”和“數(shù)字”的區(qū)別，使同學們有一個從“模擬”到“數(shù)字”的思維轉(zhuǎn)變。

運用直觀的方法，使學生將兩種截然相反的概念聯(lián)系在一起，要想建立數(shù)字概念，必須通過已經(jīng)掌握的“連續(xù)”概念來建立[2]。（表 1）

模擬電路的重點是物理電路，而數(shù)字電路更多地強調(diào)邏輯分析的應用。因此，課程學習的目的有兩個：其一是基本單元電路的學習；其二是數(shù)學邏輯思維的建立。其中，幫助學生建立起數(shù)學邏輯思維，不僅對解決學生數(shù)學電路難學、難理解問題產(chǎn)生作用，對后續(xù)專業(yè)課的進一步學習也意義重大。因此，在分清“模擬”與“數(shù)字”兩種信號及電路的區(qū)別基礎(chǔ)上，討論關(guān)于從“數(shù)學”到“邏輯”的思維轉(zhuǎn)變。

表1 模擬電路與數(shù)字電路的區(qū)別

2.2 “數(shù)學”到“邏輯”的思維轉(zhuǎn)變

數(shù)字電子分為數(shù)字邏輯技術(shù)和數(shù)字電路技術(shù)。前者是用數(shù)學方法研究和處理事件之間的邏輯關(guān)系，后者是研究數(shù)字邏輯的電路實現(xiàn)方法?！斑壿嫶鷶?shù)”只是分析數(shù)字電路的一個工具，“0”和“1”僅代表因果關(guān)系，而并非具有大小含義[3]。可以借助具體的實例來適應從數(shù)學思維到邏輯思維方式的轉(zhuǎn)變。

用生活中的常見實例來解釋“邏輯”的概念。

圖1所示為一路燈，三地各有獨立控制開關(guān)，用A、B、C來表示。任意閉合一個開關(guān)，燈亮；任意閉合兩個開關(guān)，燈滅；三個開關(guān)同時閉合，燈亮。

圖1 三地控制路燈

因為燈只有兩種狀態(tài)（“亮”和“滅”）；三個開關(guān)也各有兩種狀態(tài)（“打開”和“閉合”），建立邏輯關(guān)系時，就可以用“1”和“0”來表示截然相反的兩種狀態(tài)。當把一個工程問題描述為數(shù)字邏輯系統(tǒng)時，就意味著不再關(guān)心數(shù)量的大小及相互影響，只關(guān)心各個事件間的邏輯關(guān)系。通過這樣一個簡單的對比，加深了對“邏輯”一詞的理解，抓住了數(shù)字邏輯電路課程的特點，與數(shù)值大小無關(guān)。

2.3 從“分立”到“集成”的思維轉(zhuǎn)變

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的重大進展，數(shù)字邏輯器件已在短時間內(nèi)從分立元件發(fā)展到中、小規(guī)模的集成電路，直到目前常用的大規(guī)模和超大規(guī)模的可編程邏輯器件（PLD）。

在前續(xù)的“電路”及“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”兩門課程中對電子分立元件（如：電阻、電容、電感、二極管、三極管等）的內(nèi)在特性做了詳細介紹。在“數(shù)電”的學習中，應引導學生實現(xiàn)從“分立”到“集成”的思維轉(zhuǎn)變，將學習重點放到中小規(guī)模集成電路上，用時引入大規(guī)模集成電路VLSI（包括PALGALFPGACPLD等）和簡單VHDL語言的內(nèi)容以體現(xiàn)“新”。

圖2 大規(guī)模集成電路組成

2.4 從“理論”到“實踐”的思維轉(zhuǎn)變

“數(shù)電”這門課具有較強的實踐性。純粹的理論會使學生感覺枯燥乏味，而單純的應用缺少扎實的理論基礎(chǔ)，也不可取。因此，在確保理論完整性的前提下，要把實踐教學作為培養(yǎng)學生工程技術(shù)能力的主要方式。學生可以通過課堂仿真實驗來驗證所學的知識點，盡可能多地了解數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域的新概念、新技術(shù)和新方法。改變傳統(tǒng)的僅獲取課本的理論知識就達到學習目的這一想法，盡可能多地接受與“數(shù)電”相關(guān)的工程實踐訓練，有助于學生建立工程思維觀念，從工程實際的角度去思考和處理問題，用近似的和等效的觀點去分析事物，開啟創(chuàng)造性思維方式。

3 結(jié)語

在“數(shù)電”課程的學習過程中，實現(xiàn)思維方式轉(zhuǎn)變是一個非常重要的過程，可以從整體上把握數(shù)字邏輯電路課程的基本思想，從而為深入理解所學知識，實現(xiàn)思維方式的轉(zhuǎn)變，為后續(xù)課程的學習打下堅實的基礎(chǔ)，實現(xiàn)“數(shù)字—邏輯—集成—實踐”思維模式的建立。