謝劍斌,李沛秦,閆 瑋,劉 通,丁文霞

(國防科技大學電子科學與工程學院,湖南長沙 410073)

“數(shù)字電子技術”(簡稱“數(shù)電”)是高等院校工科電子信息、電氣信息類各專業(yè)和部分非電類本科生必修的技術基礎課[1]。學生通過學習后不但掌握數(shù)字電子技術的基本概念、基本電路、基本分析方法和基本實驗技能,而且可使學生提高系統(tǒng)集成能力、綜合應用能力和仿真實驗能力,并使學生建立以下三個重要觀念[2]:①系統(tǒng)觀念:一個數(shù)字電子系統(tǒng)從信號的獲取和輸入、數(shù)字處理、輸出和驅動,到各部分電路之間的功能作用、參數(shù)設置和邏輯關系等需要相互協(xié)調(diào),只有通盤考慮和全面調(diào)試才能獲得理想效果;②科學進步觀念:數(shù)字電子技術的發(fā)展,比其它任何技術都快,學習數(shù)字電子技術時應立足于基礎,放眼于未來;③創(chuàng)新觀念:電子器件的產(chǎn)生背景、電路構思和應用實現(xiàn)都具有啟發(fā)性,能夠充分發(fā)揮學生的想象力和創(chuàng)造力。

1 基于創(chuàng)新思維法的數(shù)電教學

1.1 要求教學過程創(chuàng)設問題情境

我們首先根據(jù)教學內(nèi)容的難易、重點確定要求學生“發(fā)現(xiàn)”的學科結構,然后向學生提出要解決的中心課題,要求他們分析問題情境,探索問題的解決方法。譬如在“裁判電路設計與實現(xiàn)”的教學中,首先讓學生進行“二人平等裁判的電路設計與實現(xiàn)”;然后進行“三人主副裁判的電路設計與實現(xiàn)”;最后,向學生提出如何裁決“只有兩個裁判同意”的問題,引發(fā)學生思考,設計出各種各樣的規(guī)則與電路,組織大家討論,評選出社會實踐活動中常用的電路[3]。

1.2 要求啟發(fā)點撥與分析驗證

我們鼓勵學生開展討論,讓學生在特意制造的矛盾環(huán)境中處于思考的思維狀態(tài)之中,他們可以通過提方案、相互補充和正反對比等多種探討過程,對所擬訂的方案進行檢驗。學生擬訂的方案在討論或實驗中加以驗證,討論驗證可在同桌或小組間進行。我們在這一環(huán)節(jié)中力求把握學生情況,主動獲取信息,達到課堂內(nèi)的及時反饋和指導[4]。

1.3 要求歸納總結與掌握應用

我們對學生整個討論和檢驗過程進行總結,補充教學計劃要求的每一個知識點,同時指出重點和難點,以作業(yè)形式布置給學生。在教學過程中,我們引導學生積極逆向思考,在掌握有關知識并獲得成功感時,巧設懸念,引發(fā)他們進一步的求知欲[5]。

1.4 合理充分運用逆向思維法

逆向思維存在多種形式,如結構與位置的互換:上與下、左與右等;過程上的逆轉:電與磁的轉換等;邏輯代數(shù)中的反演定理:“0”與“1” 、“+”與“·” 、原變量與反變量的替換。逆向思維能夠克服思維定勢,破除由經(jīng)驗和習慣造成的僵化認識模式。譬如在講述半導體存儲章節(jié)時,引導學生采用批判性原則,深入認識半導體存儲介質(zhì)與傳統(tǒng)磁介質(zhì)的差異。

2 “數(shù)字電子技術”教學實踐

在講授“數(shù)字電子技術”課程時,我們采用發(fā)現(xiàn)法和逆向思維法,講清器件與電路產(chǎn)生的需求背景、在系統(tǒng)中的作用、組成結構、分析方法及存在的新問題等,再現(xiàn)器件與電路的獲得過程;使得學生雖然學的多是間接知識,但在教學過程中有新發(fā)現(xiàn)的感覺,有新發(fā)展的自信心,模擬科學家的探索過程,激發(fā)其求知欲和創(chuàng)造欲,活躍學術思想[6]。在實驗和作業(yè)的過程之中,我們啟發(fā)學生獨立思考和逆向思維,通過自己學習來發(fā)現(xiàn)知識和掌握原理,使學生用自主和探索的態(tài)度積極學習。以下給出幾個采用創(chuàng)新思維法進行數(shù)電教學的具體實例。

2.1 格雷碼的應用

在講述格雷碼之前,我們首先分析普通BCD編碼存在的問題,譬如從3轉換成4時普通BCD編碼的每一位都要變,產(chǎn)生很大的尖峰電流脈沖,而且容易出錯。那么,有無辦法每次變化都只有一位,否則就認為控制數(shù)據(jù)出了問題呢?我們可根據(jù)學生建議設計出任意兩個相鄰碼組之間只有一位碼元不同的編碼,得到多種形式的格雷碼。最終大家深刻體會到:格雷碼減少了由一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)時邏輯的混淆,格雷碼是錯誤最小化代碼。大家列舉出格雷碼可以應用在電梯控制、巡航導彈、航天飛機和核彈控制等高安全系統(tǒng)之中。

2.2 基于反函數(shù)的卡諾圖化簡

在講述卡諾圖化簡內(nèi)容時,我們首先講授常規(guī)方法,就是對1構成的最小項進行組合與化簡,所得到的結果為F。但是對于一些1項特別多的函數(shù)式,其卡諾圖化簡采用常規(guī)方法非常繁瑣。如果采用逆向思維,通過基于反函數(shù)的化簡方法則十分快捷。以圖1為例,從卡諾圖可以看出1項很多,常規(guī)化簡比較繁瑣,此時引導學生對0組成的非最小項進行組合化簡,可以很快地得到 F,然后取反得到F,有

圖1 基于反函數(shù)的卡諾圖化簡實例

基于反轉原則的逆向思維法不僅可以提高卡諾圖化簡的效率,而且充分調(diào)動了學生學習的積極性。

2.3 最大項和最小項轉化關系的應用

在講最大項和最小項的轉化關系時,學生不容易理解。于是,我們采用基于轉換原則的逆向思維法,首先通過Morgan定理(反演律)推導出如下公式:

然后,通過下面的具體實例,引導學生深入理解最大項和最小項轉換關系的巧妙應用方法。

通過上面的推導,使學生理解Y等于最小項第3、6、7 項之和,也等于最大項第 0、1、2、4、5項之積 。

3 結語

“數(shù)字電子技術”課程通過六年多的創(chuàng)新思維教學實踐與嘗試,各屆學生無論在專業(yè)學習的興趣方面,還是在學業(yè)成績方面,都有大幅提高。很多學生動手制作了構思巧妙并具有一定實用價值的電子作品。尤其是一些愛動腦筋的學生,從學習該課程中發(fā)現(xiàn)知識理解的新方法,逆向思維出習題解答的新思路。學生學會思維探索,提高對知識的理解記憶,為課程學習打下了堅實基礎。

[1] 閻石.數(shù)字電子技術基礎(Ver5)[M].北京:高等教育出版社,2006.05

[2] 清華大學自動化系電子技術基礎教學組.電子技術基礎課程的建設與實踐[C].北京:2004.12

[3] 康華光.電子技術基礎:數(shù)字部分(Ver4)[M].北京:高等教育出版社,2000

[4] 王志功譯.CMOS數(shù)字集成電路分析與設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005

[5] 閻石.數(shù)字電子技術基礎(Ver4)教師手冊[M].北京:高等教育出版社,2003.6

[6] 謝劍斌.基于發(fā)現(xiàn)法的數(shù)字電子技術課程教學[C].長沙:湖南省教育年會征文,2009.6