思维教学在数字电子技术中的应用

丁岩松，王晓丽，薛海鹰

（陆军装甲兵学院，北京 100072）

1 引言

《数字电子技术基础》（以下简称“数电”）是高等工科院校电气类、自控类和电子类专业在电子技术方面的一门专业基础课程，具有自身的体系和很强的实践性。

“数电”的前继课程为模拟电子电路，后续课程是微型计算机原理，起着承上启下的作用。如何学好这门课程？经验来谈，学生在经过《电路》和《模拟电子技术基础》两门课程的学习后，往往将“数电”的学习理解为物理电路的学习,其思维方式也还局限在连续、模拟概念上，没有形成离散的、数字化的概念，缺乏对知识的思考和总结。而这种思维模式的转变，也正是取决于教师的课堂引导[1]。因此，要教好和学好“数电”这门课，思维方式转变必然成为教师教学和学生学习中不容忽视的问题。具体来说，将思维方式的转变归纳为以下几点，即：“模拟”到“数字”的思维转变；“数学”到“逻辑”的思维转变；“分立”到“集成”的思维转变；“理论”到“实践”的思维转变。

2 思维方式的转变

2.1 “模拟”到“数字”的思维转变

由于一般院校的课时安排都是先开《模拟电子技术基础》，几周后《数字电子技术基础》再开课，学生容易搞不清楚这两门课差别究竟在何处。因此，在“绪论”部分，应该重点介绍“模拟”和“数字”的区别，使同学们有一个从“模拟”到“数字”的思维转变。

运用直观的方法，使学生将两种截然相反的概念联系在一起，要想建立数字概念，必须通过已经掌握的“连续”概念来建立[2]。（表 1）

模拟电路的重点是物理电路，而数字电路更多地强调逻辑分析的应用。因此，课程学习的目的有两个：其一是基本单元电路的学习；其二是数学逻辑思维的建立。其中，帮助学生建立起数学逻辑思维，不仅对解决学生数学电路难学、难理解问题产生作用，对后续专业课的进一步学习也意义重大。因此，在分清“模拟”与“数字”两种信号及电路的区别基础上，讨论关于从“数学”到“逻辑”的思维转变。

表1 模拟电路与数字电路的区别

2.2 “数学”到“逻辑”的思维转变

数字电子分为数字逻辑技术和数字电路技术。前者是用数学方法研究和处理事件之间的逻辑关系，后者是研究数字逻辑的电路实现方法。“逻辑代数”只是分析数字电路的一个工具，“0”和“1”仅代表因果关系，而并非具有大小含义[3]。可以借助具体的实例来适应从数学思维到逻辑思维方式的转变。

用生活中的常见实例来解释“逻辑”的概念。

图1所示为一路灯，三地各有独立控制开关，用A、B、C来表示。任意闭合一个开关，灯亮；任意闭合两个开关，灯灭；三个开关同时闭合，灯亮。

图1 三地控制路灯

因为灯只有两种状态（“亮”和“灭”）；三个开关也各有两种状态（“打开”和“闭合”），建立逻辑关系时，就可以用“1”和“0”来表示截然相反的两种状态。当把一个工程问题描述为数字逻辑系统时，就意味着不再关心数量的大小及相互影响，只关心各个事件间的逻辑关系。通过这样一个简单的对比，加深了对“逻辑”一词的理解，抓住了数字逻辑电路课程的特点，与数值大小无关。

2.3 从“分立”到“集成”的思维转变

随着科学技术的发展，尤其是微电子技术和计算机技术的重大进展，数字逻辑器件已在短时间内从分立元件发展到中、小规模的集成电路，直到目前常用的大规模和超大规模的可编程逻辑器件（PLD）。

在前续的“电路”及“模拟电子技术基础”两门课程中对电子分立元件（如：电阻、电容、电感、二极管、三极管等）的内在特性做了详细介绍。在“数电”的学习中，应引导学生实现从“分立”到“集成”的思维转变，将学习重点放到中小规模集成电路上，用时引入大规模集成电路VLSI（包括PALGALFPGACPLD等）和简单VHDL语言的内容以体现“新”。

图2 大规模集成电路组成

2.4 从“理论”到“实践”的思维转变

“数电”这门课具有较强的实践性。纯粹的理论会使学生感觉枯燥乏味，而单纯的应用缺少扎实的理论基础，也不可取。因此，在确保理论完整性的前提下，要把实践教学作为培养学生工程技术能力的主要方式。学生可以通过课堂仿真实验来验证所学的知识点，尽可能多地了解数字电子技术领域的新概念、新技术和新方法。改变传统的仅获取课本的理论知识就达到学习目的这一想法，尽可能多地接受与“数电”相关的工程实践训练，有助于学生建立工程思维观念，从工程实际的角度去思考和处理问题，用近似的和等效的观点去分析事物，开启创造性思维方式。

3 结语

在“数电”课程的学习过程中，实现思维方式转变是一个非常重要的过程，可以从整体上把握数字逻辑电路课程的基本思想，从而为深入理解所学知识，实现思维方式的转变，为后续课程的学习打下坚实的基础，实现“数字—逻辑—集成—实践”思维模式的建立。