《数字电路与系统》脉络结构和关键问题探讨

张 辉 (大连理工大学城市学院电子与自动化学院,辽宁大连1 16600)

王淑娟 (哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨1 50001)

1995年教育部颁发了 《高等工业学校电子技术基础课程教学基本要求》,指出 “数字电路课程是电气类、电子类专业在电子技术方面入门性质的技术基础课,它具有自身体系,是实践性很强的课程。”此后,很多高校都认识到数字电路课程的重要性,加大了对该课程的建设力度,涌现出一大批数字电路的精品课程,为数字电路课程教与学水平的进一步提高打下了良好基础[1-5]。但是,大部分的建设研究工作主要是从教材、师资队伍、教学方法和多媒体等方面展开的,对于数字电路课程自身章节间结构、知识点间逻辑关系和课程主线的研究则鲜有报道。下面,笔者从工程应用的角度出发,对数字电路课程各章节、各知识点间的结构关系和逻辑关系进行了剖析,说明了章节间的拓扑结构和知识点间的嵌套因果关系,提出了以功能表贯穿全文的主线结构,并就教与学中的一些实际问题进行了探讨。

1 课程脉络结构

1.1 课程各章节间的结构关系

为方便起见,笔者选择了唐志宏教授主编的 《数字电路与系统》教材为例进行说明。该教材共分为10章,第10章为数字系统设计举例,介绍了ASM图表设计数字电路的方法,这部分内容很多教材上没有提到,在这里不作说明。另外,VHDL内容是数字电路内容的程序化描述方法,在知识点上没有新内容,也不做说明。图1是全部9章的拓扑结构图。图1充分挖掘了数字电路课程主要内容间的结构关系,全部9章构成了一个有机的整体,相互支撑、相互补充,便于学习者形成课程的整体概念和清晰的层次关系。

1.2 课程章节内部的结构关系

数字电路课程除了章节间具有清晰的结构外,在很多章节内部的知识点间同样具有清晰的因果关系。组合逻辑电路和时序逻辑电路是课程的重点,下面分别说明。

第4章为组合逻辑电路,4.1节为组合逻辑电路的分析和设计方法,4.2节为加法器,4.3节为算术逻辑单元,4.4节为编码器,4.5节为译码器,4.6节为数据选择器和数据分配器,4.7节为数值比较器。4.1节讲述了组合逻辑电路分析和设计的一般方法,4.2～4.7节可看作是4.1节的应用,在讲解时可以用4.1节讲述的设计方法逐一进行设计4.2～4.7节的功能电路,之后用分析方法进行验证。可见,4.1节和4.2～4.7节2部分之间是理论及其应用的因果关系。

第5章为触发器,5.1节为基本RS触发器,5.2节为时钟触发器,其基础是基本RS触发器。讲解5.2节时,在基本RS触发器的基础上,通过增加2个另外的与非门而引入时钟,从而得到了时钟RS触发器;经简单修改后可以得到D触发器。因此,5.1节和5.2节2部分之间是理论及其应用的因果关系。

图1 《数字电路与系统》课程的章节结构图

第6章为时序逻辑电路,6.1节、6.2节和6.5节为同步时序逻辑电路分析和设计的一般方法 (讲解时,可将6.5节提前),6.3～6.4节可看作是其应用,用一般方法进行设计,得到电路实体,进行功能分析验证。这2部分之间也是理论及其应用的因果关系。

2 课程的主线——功能表

图2为 《数字电路与系统》教材中功能表的一些实例,可见,功能表有多种表现形式。在组合逻辑电路部分为真值表,在触发器部分为特性表,在时序逻辑电路部分为状态转换表,在芯片应用部分中表现为功能表。在数字电路课程中,功能表从第2章开始贯穿全文,将全部的章节和知识点进行串联,因此,功能表是 《数字电路与系统》课程的主线。

确定了以功能表为课程的主线,在教学中要注意引导,使学生重视看表,做到电路、符号、功能表三者之间的等价转换,举一反三、知一解三。要给学生贯彻功能表为数字电路主线的思维,在后续的内容学习中从功能表的角度说明电路功能及应用,使学生会写功能表、会看功能表、会用功能表。

图2 功能表的多种表现形式

3 教学中应解决的关键问题

图3 《数字电路与系统》课程的承上启下关系

1)如何引起课程学习兴趣 ①数字电路课程与其前后主要课程间的关系。数字电路课程是电类、自动化类和计算机类的一门专业基础课程,是后续课程学习的基础,在整个课程体系中起着承上启下的作用,图3说明了 《数字电路与系统》课程的承上启下关系。②数字电路课程知识点在一般测控系统中的应用情况。对于一般的测控系统而言,外界非电信号通过传感器转化为电信号,经放大器放大为较强的信号,经ADC转换为数字信号,通过数字系统处理后,再经DAC转换为模拟信号,经功率放大器放大后,驱动执行部件工作。图4说明了一般测控系统的构成以及数字电路和模拟电路在其中的应用,可以看到,模拟电路是测控系统与外界的接口,模拟电路通过 ADC和DAC与数字系统连接。数字系统包括CPU和一般数字电路,除了CPU部分将在后续课程继续学习以外 (单片机课程),测控系统所需的知识分布在模拟电路和数字电路中,从而使学生知道学好数字电路课程对其意味着什么,确立了必须要学好数字电路课程的意识和决心。

2)努力培养分析问题和解决问题的能力 数字电路课程是逻辑性很强的课程,在课程的教学中如果注意启发,很容易培养学生分析问题和解决问题的能力。如何能将所面对的问题转化为已知的、熟悉的问题,是解决未知问题的关键。下面举例说明。

图4 一般测控系统及数字电路和模拟电路的应用

在讲到ADC逐次比较转换器时,用天平称重作为对比说明,天平的左侧为待转换的模拟输入量,右侧为转换后的数字量。以四位转换器为例,每位二进制数的权看作砝码,该位为1表示使用了该砝码,为0表示未使用该砝码,砝码重量分别是23、22、21、20。称重时,将模拟量11放到天平左侧,先将砝码23放在右侧比较,不够加重22砝码后大于11,22砝码撤掉,重新加入砝码21,因小于11继续加入砝码20,从而左右天平达到平衡,最后天平右侧的砝码为23、21、20,代表二进制数1011(模拟值11)。之后的问题是如何用电路实现这个过程,天平可以用比较器实现,比较的结果控制二进制数(砝码)的0和1取值,到此,设计思路已经很清楚了。通过这样的类比转换后,ADC的设计转化为学生熟悉的天平称重过程,学生既学会了转换的分析方法,又对较难的逐次比较ADC有了深入的理解。

3)如何解决课时紧张问题 解决课时紧张的问题有很多思路,这里从知识点因果关系上给出一解决思路。理顺章节间和知识点间的因果关系,有利于后续新内容的顺利讲解。以组合逻辑电路内容为例,组合逻辑电路的一般分析和设计过程为:

分析:电路图——逻辑函数式——真值表——文字描述

设计:文字描述——真值表——逻辑函数式——电路图

所谓分析和设计问题,其实质就是电路多种表达形式之间的转换。这些表达形式在第2章中都有说明,因而分析和设计问题本身没有新的知识点,组合逻辑电路其余几节可以看作是设计问题的应用,也没有新知识点,从而使使课程讲解变为知识的复习过程,可以节省课时。另外,其余几节既然是应用,一些应用可以留作业让学生自学,教学仅做点评,也节省了课时。

4)注意使用黑箱法 图形化更有利于人们对于复杂问题的理解,比如数字电路用卡诺图代替真值表,从而使逻辑函数易于化简。数字电路课程中很多地方都可以用黑箱法,即将要设计的电路看作是黑箱,整个电路的分析设计过程就是黑箱白化的过程。比如,在讲解半加器时,在黑板上画出黑箱,由半加器的物理意义,有2个输入,2个输出,如何实现?设计出来后,将电路画到黑箱里面,从整体上体会电路的输入输出和内部结构的关系。又如,在讲解VHDL语言时,其分为实体和构造体,实体既是黑箱,仅知道输入和输出,内部结构由构造体确定。

通过黑箱法的使用,可以使学生不是为了设计而设计,能从电路整体上理解所设计的电路能做什么。

5)如何解决先易后难的问题 数字电路课程实际教学中,学生学习的难点主要是在引入触发器内容之后,因此,在教学中要注意以下几点:①事先告知学生触发器和时序电路是难点,提醒预习,思想上引起重视;②讲解时,注重过渡,说清楚为什么引入触发器及如何设计触发器;③注意讲解节奏;④留意习题环节,及时了解学生对知识掌握的情况。通过以上环节,一定程度上可以解决先易后难的问题。

4 结 语

把握课程的知识点间的结构关系是掌握一门课程的前提条件。对数字电路课程的各章节和各知识点之间的结构关系进行了剖析,建立了章节间的架构,阐明了知识点之间的因果关系,提出了以功能表贯穿全文的主线思想,并就教与学中的一些实际问题进行了探讨。多年的教学经验表明,所阐述的思想对于教与学水平的提高是有效果的。

[1]郁玲艳.“数字电路”教学改革探讨[J].中国电力教育,2010(30):80-81.

[2]孙万蓉,任爱峰,初秀琴,等.精品课程“数字电路与系统设计”教学体系[J].电气电子教学学报,2010,3(32):7-8,22.

[3]张平娟,陈娟,丁西明.数字电子技术教学方法探讨和教学内容改革[J].安徽科技学院学报,2010,24(2):66-68.

[4]杨丽娟.数字电子技术课程的教学改革探讨 [J].江西电力职业技术学院学报,2008,4(21):58-60.

[5]任希,侯建军,李赵红,等.研究性教学在“数字电子技术”课程中的探索 [J].电气电子教学学报,2010,4(32):28-29.