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摘 要;本文分析了当前“数字电子技术”课程教学过程中存在的问题,结合现代电子技术发展的需求,从教材、教学内容、实验教学等方面阐述了课程教学改革的思路和设想,特别是引进了EDA技术,并且从学校已经实行的教学改革效果上分析了。数字电子技术’课程教学改革的必要性和可行性。
关键词:数字电子技术;教学改革;独立学院
作者简介;吕庆飞(1982-),男,浙江衢州人,杭州电子科技大学信息工程学院,助理研究员,工学硕士,主要研究方向:教学管理、电子信息工程专业课程教学。(浙江杭州G10018)
“数字电子技术”是电子类专业一门重要的专业基础课程,是很多后续课程的基础,因此学好“数字电子技术”对学生学习后续的专业课程有着极其重要的作用。本课程的任务和目的是使学生掌握和运用数字电子技术的基本知识,并具有一定的实践动手能力,为后续课程打下良好的基础。随着科学技术的迅速发展,知识总量急剧增长,终身学习、终身教育观念日益强化,不同学科的互相渗透和集成,社会急需基础扎实、具有创新意识和创新能力,理论联系实际、综合素质高的新一代建设人才。
由于EDA技术、大规模集成电路,特别是可编程器件的高速发展,数字技术知识的更新速度远远高于整个科技领域发展的平均速度。信息时代正是以数字化为基本特征,通信、计算机、航天、医学、工业自动化、仪器仪表、消费类电子产品等领域都在应用数字技术,所以对以数字电子技术逻辑设计和应用为主要教学内容的“数字电子技术”课程提出了更高的要求。“数字电子技术”的地位和重要性被推到了前所未有的高度,同时也对这一课程的教学内容提出了极大的挑战。
—直以来。“数字电子技术”的教材和教学方式方法都很大程度地延续了传统的思路,在很多方面存在着弊端,阻碍了“数字电子技术”教学的进步,因此课程的教学改革也非常紧迫。
一、“数字电子技术”教学的现状
目前国内许多高校该课程教材的基本内容和实验模式几乎仍停留在30年前,并仍以那个年代的手工数字设计技术为核心组织教学内容和考核内容。将“数字电子技术”课程与物理学、数学一样地去对待,继承所有的经典而不合得摈弃。
在教材内容和教学内容方面系统性和理论性太强,理论知识偏多。对于元器件的内部参数特性讲解过细,而外部特性和应用又偏少,重理论而轻应用。许多内容中讲解的都是过时的元器件类型。目前在“数字电子技术”课程教学中绝大部分讲述的还是标准的逻辑器件,集成度很低的TTL类型器件。然而,随着电子技术的飞速发展,器件集成度和系统规模不断提高,基于标准逻辑器件设计的数字系统需要很多的器件和复杂的电气连线,使系统的可靠性降低,设计难度加大。现代数字电子系统的工作率和二三十年前的频率存在着成百上千倍的差别,在过去低频系统中能够稳定运行的器件,放到现在较高频率的系统中会出现很多不稳定的现象,甚至是出现完全错误的结果,而标准的逻辑器件,其参数特性基本上是确定的,因此在实际中具有许多不足之处。
目前此课程基本上被安排在本科教学的第五、六学期,部分院校安排在第四学期,极少数院校安排在第三学期。但是当前电子技术快速发展,数字电子产品不断涌现,许多相关的课程也随之出现,而这些课程正是以“数字电子技术”课程为先导课程的,没有进行“数字电子技术”的教学,其他课程的教学较难开展。由于“数字电子技术”课程开设较晚,后续课程只能往后推,致使大三、大四学生专业课过多,疲于应付。而且此时不少学生准备考研,很难做到好好听课。其他学生也要面临实习、就业等一系列问题,无心放在学习上,最终学习效果不好。
在实验教学方面,绝大部分实验内容都是基于TTL标准逻辑器件的,很多实验项目多年一成不变。而且其中接近一半的实验属于验证性实验,这样的安排与现在社会上Xd"~d新型人才的要求是相悖的。小规模逻辑电路芯片的报废率也比较高,实际的实验、实践教学成本比较大。
近些年由于就业压力大,有很多本科生投入到了考研大军当中,而“数字电子技术”通常是电子类专业必考的一门专业课,因此很多高校想改革又不敢大力度地改,担心把理论教学内容削减得太多,会影响学生的考研成绩。这反过来又说明了大步伐的改革很迫切,正是因为现在教学重理论轻应用,导致学生就业能力差,很大一部分学生才被迫选择考研。
另外,普通高等院校考研究生的学生比例会相对比较大,但对于独立学院来说,考研的人数仅占很少一部分,因此,在独立学院进行“数字电子技术”的教学改革力度可以大一些。
二、“数字电子技术”教学改革的思路
根据独立学院学生的特点和社会需求以及。数字电子技术教学当前存在的问题,我们提出一些改革的思路。
1.相关器件
传统的“数字电子技术”当中讲述的逻辑器件主要是TTL系列的小规模集成电路,主要应用于低速的数字电路中。目前使用的大规模集成电路和高速集成电路中大多用的是MOS和CMOS工艺制造的集成电路。因此应将传统的TTL集成电路内容大规模地削减,增加CMOS相关的集成电路知识。有许多基础器件也有很大的演变,比如,在传统的“数字电子技术”中,触发器相关知识里讲述最多的是基本RS触发器的原理和JK触发器的原理应用,而现在实际用到的触发器以D触发器为主。另外,即使在设计中需要使用小规模逻辑器件,也应尽量使用功能模块的集成器件,而不应该都从基础器件开始设计搭建整个系统。例如要实现8位计数器,不能再通过与非门来实现了,那样只能浪费更多的时间和器件,应该直接使用8位的计数器,或者利用两个4位的计数器来组成,使用通用的计数器而不是特定功能的计数器,这样系统的可变性和可移植性就更好。
2.关于设计和分析方法
目前,传统的“数字电子技术”当中,都是围绕小规模的集成电路设计方法,而且大部分是以与非门为基础元件的手工分析和设计方法。此分析方法是数字电路分析和设计的很基础的方法,应做适当保留,但是内容上要大幅削减,比如说我们只需要用与非门实现两级的逻辑电路,而不需要让学生深入分析演练,设计出多级的逻辑电路。对于时序逻辑电路来说,异步时序逻辑电路在现代数字电子技术中使用越来越少,而多都运用同步时序逻辑电路。因此,对于异步时序逻辑电路只作少量讲解,分析一两个例子即可,而侧重讲同步时序电路的分析和设计。在讲同步时序逻辑电路的分析和设计过程中,传统的数字电路主要是用手工的分析、设计方法,通过逻辑电路的分析、逻辑关系的简化、状态图的转化等方法来实现,这些在现代数字电子技术当中都应当从简,电路功能的分析和设计现在都可以借助设计软件来实现。我们要做的是系统的规划设计和构思,通过软件分析、设计功能模块,然后组合成系统。传统的逻辑电路分析技术是基于电路原理图的,即必须知道电路的基本结构,且只分析逻辑功能而不分析时序特性,这显然是过时的理念。 现代数字电子技术则把设计对象看成一个网络来分析,特别注重时序特性的分析。
3.新技术、新概念的引入
传统“数字电子技术”的核心是分析设计功能模块,学生学习完课本知识后,可能对单独的编码器、译码器、计数器、加法器等有一定的了解和记忆,但是当设计时需要用到这些知识时却很难运用上,因为学生学习的都是孤立的、单独的知识,教师很少讲解这些模块如何运用到整个系统中,也没有从系统中拆分这些模块。因此我们需要引入系统的概念。另外,“数字电子技术”是一门基础的电子技术课程,因此我们不能将其中的知识局限于特定的功能模块上,而应该能够举一反三,将特定的知识扩展开来。比如,我们在学习完编码器、译码器、分配器等知识后,就应该引入广义译码器的概念,把这些器件都看做是对输入信号的一种解析,输出相应的信号。又比如,在设计时序逻辑电路时,我们就应该引入状态机的概念,从而更形象系统地进行电路分析和设计,设计出更大规模的集成电路。
4.实践教学
削减传统数字电路实验中的验证性实验,只需让学生做一两个小的验证性实验,对数字电路实验有个初步的了解即可,同时减少在实验箱上搭建电路的设计性实验,减少学生花费在检查线路连接和线路接触好坏上的时间,把更多的时间花在电路的设计和创新上。
在教学过程中,我们将原来32学时的实验内容削减和压缩至12学时,同时引入EDA技术相关的实验,教学生学会使用QuartusII软件,掌握VHDL语言的基本使用方法,并在实验中运用VHDL编写程序生成各种功能的电路模块,然后组合成系统。在QuartusII软件环境中设计分析电路不仅操作简便,而且几乎百分之百地模拟了实际的电路工作情况,还能够通过波形输入、输出等分析电路的功能和工作状态,有利于学生掌握更先进的电子技术、技能,也有利于学生掌握“数字电子技术”的基础知识,学生不在实验室也可以进行这部分的实验。在学生完成软件模拟实验后,可将编写的程序经过综合、仿真、下载等过程,下载到可编程芯片PFGA中,真正实现其需要的功能,在EDA实验箱上通过各种接口即可实现多种功能。让学生感受到自己所学有所用,提高学生的学习兴趣。
5.教材方面
考虑到传统经典教材内容陈旧,我们选用新的现代数字电子技术教材。教材内容是以传统的数字电子技术分析和设计方法为着手点,充分结合EDA技术和数字电子技术的软件,引入QuartusII软件,以该软件为平台,对各种数字电子技术进行分析和设计,结合VHDL硬件描述语言,引入广义译码器和状态机的概念。每一个重要知识点都有充分的例子进行分析和解析。
三、“数字电子技术”教学改革的成效
我院自2007年对“数字电子技术”进行教学改革以来,取得了可喜的成绩。学生更容易接受教学内容和教学方式,能够更好地掌握学习内容,学生的动手能力得到很大程度的提升。在母体学校和独立学院分别开展了该课程的教学改革,把该课程的教学分别放在第二学期和第三学期进行。实践证明,对于基础较好的学生在大一第二学期学习该课程没什么障碍,“数字电子技术”当中的少量关于电路分析的知识只需自行查阅相关教材就可解决。对于基础一般的学生,安排在第三学期教学也完全没问题,而且由于改革后的“数字电子技术”教学更有利于学生学习吸收,将有些繁琐的理论知识用仿真波形和电路模型给予形象的说明,使学生能够深入理解。
在实践教学和学生动手能力培养上也取得了很大进步。通过该课程的学习,很多学生对数字电子技术产生了较浓厚的兴趣,除了课堂教学外,课外也能自觉花很多时间去学习和实践。在实验课教学上学生有很多创新的想法和作品,很多学生可以通过实验箱上的功能模块下载自己编写的程序,实现对于数字电路来说较复杂的系统控制,例如对四层电梯的控制等。部分学生在大二期间成功参加电子设计大赛并获奖。在“数字电子技术”课程改革当中引入了很多关于EDA技术的内容,让学生更早地了解和学习了EDA技术。很多学生在学习“数字电子技术”的同时便开始逐步学习和运用EDA技术,对学生后续学习有很大帮助,这也符合当今数字电子技术发展的需要。
参考文献:
[1]薛延侠.郑 燕.“数字电子技术”课程教学改革的探讨[J].西安邮电学院学报,2006,11(1):116-118
[2]潘 明.潘松数字电子技术[M].北京:科学出版社,2008.
[3]黄正瑾.数字电路课程改革的构想与实践[J].电工教学,1998,20(5):8-11.
[4]韩 琳.张 瑞.数字电路教学改革初探[J].科技信息(学术版).2007,(27)
[5]张天瑜.基于VHDL的数字电路课程改革研究[J].湖北广播电视大学学报,2010,(2)
关键词:数字电子技术;教学改革;独立学院
作者简介;吕庆飞(1982-),男,浙江衢州人,杭州电子科技大学信息工程学院,助理研究员,工学硕士,主要研究方向:教学管理、电子信息工程专业课程教学。(浙江杭州G10018)
“数字电子技术”是电子类专业一门重要的专业基础课程,是很多后续课程的基础,因此学好“数字电子技术”对学生学习后续的专业课程有着极其重要的作用。本课程的任务和目的是使学生掌握和运用数字电子技术的基本知识,并具有一定的实践动手能力,为后续课程打下良好的基础。随着科学技术的迅速发展,知识总量急剧增长,终身学习、终身教育观念日益强化,不同学科的互相渗透和集成,社会急需基础扎实、具有创新意识和创新能力,理论联系实际、综合素质高的新一代建设人才。
由于EDA技术、大规模集成电路,特别是可编程器件的高速发展,数字技术知识的更新速度远远高于整个科技领域发展的平均速度。信息时代正是以数字化为基本特征,通信、计算机、航天、医学、工业自动化、仪器仪表、消费类电子产品等领域都在应用数字技术,所以对以数字电子技术逻辑设计和应用为主要教学内容的“数字电子技术”课程提出了更高的要求。“数字电子技术”的地位和重要性被推到了前所未有的高度,同时也对这一课程的教学内容提出了极大的挑战。
—直以来。“数字电子技术”的教材和教学方式方法都很大程度地延续了传统的思路,在很多方面存在着弊端,阻碍了“数字电子技术”教学的进步,因此课程的教学改革也非常紧迫。
一、“数字电子技术”教学的现状
目前国内许多高校该课程教材的基本内容和实验模式几乎仍停留在30年前,并仍以那个年代的手工数字设计技术为核心组织教学内容和考核内容。将“数字电子技术”课程与物理学、数学一样地去对待,继承所有的经典而不合得摈弃。
在教材内容和教学内容方面系统性和理论性太强,理论知识偏多。对于元器件的内部参数特性讲解过细,而外部特性和应用又偏少,重理论而轻应用。许多内容中讲解的都是过时的元器件类型。目前在“数字电子技术”课程教学中绝大部分讲述的还是标准的逻辑器件,集成度很低的TTL类型器件。然而,随着电子技术的飞速发展,器件集成度和系统规模不断提高,基于标准逻辑器件设计的数字系统需要很多的器件和复杂的电气连线,使系统的可靠性降低,设计难度加大。现代数字电子系统的工作率和二三十年前的频率存在着成百上千倍的差别,在过去低频系统中能够稳定运行的器件,放到现在较高频率的系统中会出现很多不稳定的现象,甚至是出现完全错误的结果,而标准的逻辑器件,其参数特性基本上是确定的,因此在实际中具有许多不足之处。
目前此课程基本上被安排在本科教学的第五、六学期,部分院校安排在第四学期,极少数院校安排在第三学期。但是当前电子技术快速发展,数字电子产品不断涌现,许多相关的课程也随之出现,而这些课程正是以“数字电子技术”课程为先导课程的,没有进行“数字电子技术”的教学,其他课程的教学较难开展。由于“数字电子技术”课程开设较晚,后续课程只能往后推,致使大三、大四学生专业课过多,疲于应付。而且此时不少学生准备考研,很难做到好好听课。其他学生也要面临实习、就业等一系列问题,无心放在学习上,最终学习效果不好。
在实验教学方面,绝大部分实验内容都是基于TTL标准逻辑器件的,很多实验项目多年一成不变。而且其中接近一半的实验属于验证性实验,这样的安排与现在社会上Xd"~d新型人才的要求是相悖的。小规模逻辑电路芯片的报废率也比较高,实际的实验、实践教学成本比较大。
近些年由于就业压力大,有很多本科生投入到了考研大军当中,而“数字电子技术”通常是电子类专业必考的一门专业课,因此很多高校想改革又不敢大力度地改,担心把理论教学内容削减得太多,会影响学生的考研成绩。这反过来又说明了大步伐的改革很迫切,正是因为现在教学重理论轻应用,导致学生就业能力差,很大一部分学生才被迫选择考研。
另外,普通高等院校考研究生的学生比例会相对比较大,但对于独立学院来说,考研的人数仅占很少一部分,因此,在独立学院进行“数字电子技术”的教学改革力度可以大一些。
二、“数字电子技术”教学改革的思路
根据独立学院学生的特点和社会需求以及。数字电子技术教学当前存在的问题,我们提出一些改革的思路。
1.相关器件
传统的“数字电子技术”当中讲述的逻辑器件主要是TTL系列的小规模集成电路,主要应用于低速的数字电路中。目前使用的大规模集成电路和高速集成电路中大多用的是MOS和CMOS工艺制造的集成电路。因此应将传统的TTL集成电路内容大规模地削减,增加CMOS相关的集成电路知识。有许多基础器件也有很大的演变,比如,在传统的“数字电子技术”中,触发器相关知识里讲述最多的是基本RS触发器的原理和JK触发器的原理应用,而现在实际用到的触发器以D触发器为主。另外,即使在设计中需要使用小规模逻辑器件,也应尽量使用功能模块的集成器件,而不应该都从基础器件开始设计搭建整个系统。例如要实现8位计数器,不能再通过与非门来实现了,那样只能浪费更多的时间和器件,应该直接使用8位的计数器,或者利用两个4位的计数器来组成,使用通用的计数器而不是特定功能的计数器,这样系统的可变性和可移植性就更好。
2.关于设计和分析方法
目前,传统的“数字电子技术”当中,都是围绕小规模的集成电路设计方法,而且大部分是以与非门为基础元件的手工分析和设计方法。此分析方法是数字电路分析和设计的很基础的方法,应做适当保留,但是内容上要大幅削减,比如说我们只需要用与非门实现两级的逻辑电路,而不需要让学生深入分析演练,设计出多级的逻辑电路。对于时序逻辑电路来说,异步时序逻辑电路在现代数字电子技术中使用越来越少,而多都运用同步时序逻辑电路。因此,对于异步时序逻辑电路只作少量讲解,分析一两个例子即可,而侧重讲同步时序电路的分析和设计。在讲同步时序逻辑电路的分析和设计过程中,传统的数字电路主要是用手工的分析、设计方法,通过逻辑电路的分析、逻辑关系的简化、状态图的转化等方法来实现,这些在现代数字电子技术当中都应当从简,电路功能的分析和设计现在都可以借助设计软件来实现。我们要做的是系统的规划设计和构思,通过软件分析、设计功能模块,然后组合成系统。传统的逻辑电路分析技术是基于电路原理图的,即必须知道电路的基本结构,且只分析逻辑功能而不分析时序特性,这显然是过时的理念。 现代数字电子技术则把设计对象看成一个网络来分析,特别注重时序特性的分析。
3.新技术、新概念的引入
传统“数字电子技术”的核心是分析设计功能模块,学生学习完课本知识后,可能对单独的编码器、译码器、计数器、加法器等有一定的了解和记忆,但是当设计时需要用到这些知识时却很难运用上,因为学生学习的都是孤立的、单独的知识,教师很少讲解这些模块如何运用到整个系统中,也没有从系统中拆分这些模块。因此我们需要引入系统的概念。另外,“数字电子技术”是一门基础的电子技术课程,因此我们不能将其中的知识局限于特定的功能模块上,而应该能够举一反三,将特定的知识扩展开来。比如,我们在学习完编码器、译码器、分配器等知识后,就应该引入广义译码器的概念,把这些器件都看做是对输入信号的一种解析,输出相应的信号。又比如,在设计时序逻辑电路时,我们就应该引入状态机的概念,从而更形象系统地进行电路分析和设计,设计出更大规模的集成电路。
4.实践教学
削减传统数字电路实验中的验证性实验,只需让学生做一两个小的验证性实验,对数字电路实验有个初步的了解即可,同时减少在实验箱上搭建电路的设计性实验,减少学生花费在检查线路连接和线路接触好坏上的时间,把更多的时间花在电路的设计和创新上。
在教学过程中,我们将原来32学时的实验内容削减和压缩至12学时,同时引入EDA技术相关的实验,教学生学会使用QuartusII软件,掌握VHDL语言的基本使用方法,并在实验中运用VHDL编写程序生成各种功能的电路模块,然后组合成系统。在QuartusII软件环境中设计分析电路不仅操作简便,而且几乎百分之百地模拟了实际的电路工作情况,还能够通过波形输入、输出等分析电路的功能和工作状态,有利于学生掌握更先进的电子技术、技能,也有利于学生掌握“数字电子技术”的基础知识,学生不在实验室也可以进行这部分的实验。在学生完成软件模拟实验后,可将编写的程序经过综合、仿真、下载等过程,下载到可编程芯片PFGA中,真正实现其需要的功能,在EDA实验箱上通过各种接口即可实现多种功能。让学生感受到自己所学有所用,提高学生的学习兴趣。
5.教材方面
考虑到传统经典教材内容陈旧,我们选用新的现代数字电子技术教材。教材内容是以传统的数字电子技术分析和设计方法为着手点,充分结合EDA技术和数字电子技术的软件,引入QuartusII软件,以该软件为平台,对各种数字电子技术进行分析和设计,结合VHDL硬件描述语言,引入广义译码器和状态机的概念。每一个重要知识点都有充分的例子进行分析和解析。
三、“数字电子技术”教学改革的成效
我院自2007年对“数字电子技术”进行教学改革以来,取得了可喜的成绩。学生更容易接受教学内容和教学方式,能够更好地掌握学习内容,学生的动手能力得到很大程度的提升。在母体学校和独立学院分别开展了该课程的教学改革,把该课程的教学分别放在第二学期和第三学期进行。实践证明,对于基础较好的学生在大一第二学期学习该课程没什么障碍,“数字电子技术”当中的少量关于电路分析的知识只需自行查阅相关教材就可解决。对于基础一般的学生,安排在第三学期教学也完全没问题,而且由于改革后的“数字电子技术”教学更有利于学生学习吸收,将有些繁琐的理论知识用仿真波形和电路模型给予形象的说明,使学生能够深入理解。
在实践教学和学生动手能力培养上也取得了很大进步。通过该课程的学习,很多学生对数字电子技术产生了较浓厚的兴趣,除了课堂教学外,课外也能自觉花很多时间去学习和实践。在实验课教学上学生有很多创新的想法和作品,很多学生可以通过实验箱上的功能模块下载自己编写的程序,实现对于数字电路来说较复杂的系统控制,例如对四层电梯的控制等。部分学生在大二期间成功参加电子设计大赛并获奖。在“数字电子技术”课程改革当中引入了很多关于EDA技术的内容,让学生更早地了解和学习了EDA技术。很多学生在学习“数字电子技术”的同时便开始逐步学习和运用EDA技术,对学生后续学习有很大帮助,这也符合当今数字电子技术发展的需要。
参考文献:
[1]薛延侠.郑 燕.“数字电子技术”课程教学改革的探讨[J].西安邮电学院学报,2006,11(1):116-118
[2]潘 明.潘松数字电子技术[M].北京:科学出版社,2008.
[3]黄正瑾.数字电路课程改革的构想与实践[J].电工教学,1998,20(5):8-11.
[4]韩 琳.张 瑞.数字电路教学改革初探[J].科技信息(学术版).2007,(27)
[5]张天瑜.基于VHDL的数字电路课程改革研究[J].湖北广播电视大学学报,2010,(2)