培養(yǎng)工科思維的數字電路教學方法研究

張靜

（浙江警察學院 計算機與信息安全系，杭州 310053）

0 引言

數字電路是信息技術（Information Technology，IT）類專業(yè)中電學的核心基礎課之一，在課程體系中有些重要的支撐作用[1，2]。然而，隨著IT技術發(fā)展趨勢的不斷變化，尤其是電子設備的模塊化程度的不斷提高，畢業(yè)生在IT企業(yè)直接用到數字電路知識的機會越來越少，以至于很多學生產生了數字電路對于工作和深造等沒有太大幫助的看法。另一方面，學習過程中，很多學生只是記得理論課中講邏輯函數和邏輯電路的分析與設計方法等，然后實驗課就是跟著老師用芯片搭電路，導致學到的理論知識無法靈活應用，一旦有拓展內容的實驗就無法獨立思考完成[3]。

針對數字電路教學中存在的問題，任玲等提出了一種多元化的教學方法，包括對教學設計的改進、內容拓展和在實驗課中使用差異化的方式[4]。紀萃萃采用項目驅動法，以實際案例為核心來帶出相關的理論知識[5]。賈紹芝等提出了新工科和工程認證背景下數字電路的教學改革，對課程內容進行優(yōu)化，加入網絡課堂等[6]。

事實上，筆者在近年來的教學過程中發(fā)現數字電路其實非常適合鍛煉學生的工科思維方式，從實際問題出發(fā)，深入分析后建立數學模型，基于已有知識推理找到合適的方式解決問題?？梢哉f這種思考和解決問題的方式是貫穿在大多數工科專業(yè)的課程學習中，如果能夠盡快掌握和理解，那么對于后期各方面發(fā)展，包括學習其它課程、日后做科研或者工作都有很大幫助。此外，數字電路的課程安排相對較早，復雜程度也不是很高，所以非常適合在低年級培養(yǎng)學生的工科思維。

因此，本文提出一種數字電路教學方式，就是注重從實際問題到數學模型再到電路設計這種思維的培養(yǎng)，在教學過程中把這三者緊密聯(lián)系在一起，這樣可以非常有效地提升教學效果，使學生學東西不再死板，思考和解決問題的能力得到提高。

1 工科思維培養(yǎng)

工科思維以邏輯為手段，以科學知識為基礎，以應用技術為條件，以實際應用為目的，在工科專業(yè)的學習中鍛煉這種思維非常重要。本質上來說它是一種思維習慣，以實現最終的目標為出發(fā)點，通過本身的知識結構和邏輯推理來找到解決方案，非常重要的一點就是如果在推理過程中發(fā)生自身知識的缺失，要能夠準確地找到并進行補充，這一過程通常是反復進行，直到實現目標為止。

數字電路蘊含著工科思維的各個方面，而且每一部分都不難掌握，所以非常適合培養(yǎng)工科思維。首先它有一套獨立的理論基礎，也就是邏輯代數。相對于其它數學工具而言，邏輯代數比較容易掌握。此外，邏輯問題的建模，邏輯電路的分析與設計方法也不是很抽象，基礎知識掌握了以后，甚至可以自學深入的部分。其次，常用的邏輯器件，包括門電路、譯碼器、數據選擇器、觸發(fā)器和計數器等，都能夠通過正常的課程學習掌握。實驗課中也可以掌握基本的仿真和電路調試技巧，并看到一些實際應用的場景。

通過讓學生在學習過程中看到上述某一方面就去聯(lián)系其它的部分，經常進行邏輯推理，以及綜合性的設計類實驗來鍛煉工科思維，比如數據選擇器，當系統(tǒng)需要在多個模式下切換的情況下就可以用到，此時的選擇輸入端就可以作為系統(tǒng)模式的控制端。設計一些有針對性的綜合性實驗可以非常有效地提高思維和實踐能力，以下通過一個例子來說明。

2 教學示例

通過筆者在教學過程設計出的一個例子來闡述上述教學方式的基本思想。設計一個兩位計數電路，對于一個任意給定的數0＜=X＜=99，使得其可以按X-＞X+1-＞X-＞X-1-＞X的規(guī)律計數。

2.1 分析過程

可以看出該例的實際效果是以X為中心，加減1的循環(huán)計數，容易想到的是用雙向計數器來實現。通過基礎知識的學習，學生已經掌握了單向計數的方法，但要實現該功能，除了掌握基本知識外，必須要具備獨立的分析和思維能力才行。

兩片雙向十進制計數器74LS192作為個位和十位數，分別記作1和2，芯片的所有輸入信號和輸出信號用下標1和2來區(qū)別。在向上和向下計數時，計數器1和2的時鐘輸入是不同的，如表1所示：

表1 計數方向不同時的控制輸入

時鐘輸入CPUP1，CPUP2，CPDown1和CPDown2需要在向上和向下計數時能自動切換到相應的信號，在學過的邏輯器件中，數據選擇器可以做到這一點。由于只有兩種情況，采用二選一的數據選擇器即可，此時選擇信號S就可以用來控制向上和向下計數。

計數到X時觸發(fā)改變計數方向可以通過計數器的輸出連接一個反饋電路做到，常用的是與非門電路。但注意到這樣的反饋信號只能持續(xù)一個節(jié)拍，因此計數只能是X-＞X+1-＞X循環(huán)計數。采用觸發(fā)器可以增加節(jié)拍，T觸發(fā)器具有有翻轉功能，用反饋信號作為T觸發(fā)器的時鐘輸入，則輸出就可以作為控制信號，其時序如圖1所示：

圖1 時序圖

通過上述分析，可以畫出如圖2所示的原理圖，其中給出了一些關鍵信號，一些沒有標出的部分可以參考仿真電路圖?？梢钥闯?，實現本例中除了需要熟悉計數器、數據選擇器和觸發(fā)器的功能，更重要的是引導學生具備分析能力，只有這樣才會在解決問題的過程中不斷提高。

圖2 原理圖

2.2 Multisim仿真

在數字電路仿真中，Multisim是常用的中工具[7]。仿真電路圖如圖3所示，選取X=33，因此反饋電路可以由一個四輸入的與非門連接輸出組成，反饋信號F=

圖3 Multisim仿真電路

也就是說只有在計數器計到33時，觸發(fā)器電路才會收到一個下降沿，此時觸發(fā)器輸出C翻轉，由于控制信號S=C，因此會導致下一時刻計數方向發(fā)生變化，即在X+1=34時向下計數，由于下一時刻又會到達33，使得計數方向再次發(fā)生翻轉，即在X-1=32時向上計數，最終使得計數器在33-＞34-＞33-＞32-＞33的規(guī)律下循環(huán)。

Multisim仿真是檢驗問題求解是否正確的有效手段，學生可以簡單的從數碼管的數字顯示中判斷對錯，直觀又可行。若發(fā)現顯示有誤，引導學生查找出錯誤的原因，重新分析并設計電路，直到正確。

3 總結

本文探討了在數字電路教學中著重培養(yǎng)學生工科思維的方法，從實際問題到數學模型再到電路設計和Multisim仿真，有機地聯(lián)系這些環(huán)節(jié)，使整個學習過程形成一個閉環(huán)，有助于培養(yǎng)工科思維所需的思考習慣，并通過一個設計實例來闡述該方法的基本思想。