齊 琦，劉 藝，蔣先偉，張忠祥

(1.合肥師范學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.合肥師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230601)

“新工科”是教育部自2017年以來(lái)積極推進(jìn)的建設(shè)理念[1]，它要求地方高校培養(yǎng)擁有較強(qiáng)行業(yè)背景知識(shí)、工程實(shí)踐能力，能勝任行業(yè)發(fā)展需求的應(yīng)用型和技術(shù)技能型人才，能夠?qū)^(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)揮支撐作用。當(dāng)前，就電子信息大類而言，無(wú)論是“卡脖子”的集成電路行業(yè)，還是迅速增長(zhǎng)的5G產(chǎn)業(yè)，其核心競(jìng)爭(zhēng)力提升都離不開(kāi)數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，而“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”是該技術(shù)相關(guān)知識(shí)系統(tǒng)建立的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”在電子類專業(yè)的知識(shí)體系中具有承上啟下的紐帶作用，是從模擬電路學(xué)習(xí)到數(shù)字電路學(xué)習(xí)的過(guò)渡環(huán)節(jié)。它將“電路分析基礎(chǔ)”“模擬電子線路”等課程中具象的電流、電壓等物理量抽象為以“0”和“1”表示的邏輯狀態(tài)，將關(guān)于物理量的數(shù)學(xué)運(yùn)算轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)于“0”“1”的邏輯運(yùn)算，為后續(xù)“單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用”“EDA技術(shù)與VHDL”等數(shù)字技術(shù)重要課程奠定了基礎(chǔ)[2]。因此，如何改革“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)模式使之契合“新工科”理念，培養(yǎng)區(qū)域緊缺的數(shù)字化人才，是地方高校亟須解決的問(wèn)題。

1 “1331”模式探究

為切實(shí)貫徹“新工科”理念，提升“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)質(zhì)量，筆者曾提出一種“1331”教學(xué)模式改革方案[3]，即從支撐區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，選擇與之適應(yīng)的理論知識(shí)、仿真技術(shù)和研發(fā)基礎(chǔ)三類教學(xué)內(nèi)容，并分別輔以相應(yīng)的教學(xué)手段，最后以一個(gè)具有區(qū)域產(chǎn)業(yè)背景的綜合型實(shí)踐項(xiàng)目完成課程考核，打造如圖1所示的改革閉環(huán)。在具體執(zhí)行中，根據(jù)合肥地區(qū)人才需求情況，將教學(xué)目標(biāo)設(shè)置為培養(yǎng)FPGA初級(jí)工程師；圍繞目標(biāo)精煉理論知識(shí)并增加邏輯電路仿真和Verilog編程開(kāi)發(fā)作為教學(xué)內(nèi)容；不同內(nèi)容分別采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段，如傳統(tǒng)方式(多媒體、實(shí)驗(yàn)箱等)、軟件仿真(MATLAB等)和FPGA開(kāi)發(fā)板(Xilinx等)；考察相關(guān)企業(yè)(如科大訊飛等)需求，設(shè)計(jì)包含導(dǎo)向性的綜合型實(shí)踐項(xiàng)目，如I/O串口設(shè)計(jì)、矩陣計(jì)算器設(shè)計(jì)等，建立豐富的項(xiàng)目庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的全面考核。

圖1 “1331”模式圖解

“1331”教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)了“新工科”對(duì)接區(qū)域發(fā)展、把握企業(yè)需求的重要思想，對(duì)教學(xué)內(nèi)容刪繁就簡(jiǎn)并增加了符合區(qū)域特點(diǎn)的新知識(shí)、新技能；結(jié)合各類輔助手段提高教學(xué)效果；以項(xiàng)目考核方式引導(dǎo)學(xué)生服務(wù)地方的發(fā)展方向。在前期教學(xué)實(shí)踐中，該模式獲得了良好的教學(xué)評(píng)價(jià)，但同時(shí)也顯現(xiàn)出了所存在的問(wèn)題：(1)在當(dāng)前的課程教學(xué)中，對(duì)數(shù)字電路的分析往往僅限于實(shí)現(xiàn)其邏輯功能，而不涉及電路結(jié)構(gòu)和運(yùn)算原理，容易與前置課程知識(shí)的脫節(jié)，不利于學(xué)生對(duì)數(shù)字技術(shù)的深入理解和創(chuàng)新能力的形成；(2)在講授行業(yè)背景知識(shí)時(shí)，引入方式不合理，只談現(xiàn)狀而不解釋其形成原因，導(dǎo)致學(xué)生難以將新知識(shí)和課本內(nèi)容相互印證，造成了“不知其所以然”的窘境。

為妥善解決上述問(wèn)題，培養(yǎng)合格的“新工科”人才，在“1331”框架下針對(duì)不同知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)適宜的教學(xué)方法，如創(chuàng)設(shè)知識(shí)銜接點(diǎn)、增加行業(yè)背景的引入情境等，將是一種有效方案。研究以邏輯門(mén)電路的教學(xué)為例進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)與分析。

2 邏輯門(mén)電路的教學(xué)方法設(shè)計(jì)

邏輯門(mén)電路是數(shù)字電路中執(zhí)行邏輯運(yùn)算的基本單元，對(duì)其深入了解，有助于學(xué)生完成具象“模擬”到抽象“數(shù)字”的思維轉(zhuǎn)換，是數(shù)字技術(shù)學(xué)習(xí)的前提[4]。為實(shí)現(xiàn)該內(nèi)容與前置“模擬電子線路”課程知識(shí)的高效銜接，應(yīng)采用模擬電路的分析方法分析其邏輯運(yùn)算的執(zhí)行過(guò)程。同時(shí)，應(yīng)結(jié)合MATLAB軟件中的Simulink模塊進(jìn)行驗(yàn)證[5]，加深學(xué)生對(duì)邏輯門(mén)的理解。

為方便描述，僅以“與門(mén)”為參考，圖2(a)為其邏輯符號(hào)。在目前的教學(xué)中，對(duì)其介紹常常僅指出輸出Y和輸入A、B間的“與”邏輯關(guān)系，如表1所示，即輸入全為“1”時(shí)，輸出才為“1”。若與模擬電路內(nèi)容銜接，則應(yīng)介紹如圖2(b)所示的二極管與門(mén)電路結(jié)構(gòu)，并對(duì)其電氣特性進(jìn)行分析。在該電路中，設(shè)供電電壓VCC為5V，R為提供分壓功能的上拉電阻，D1、D2是導(dǎo)通電壓為0.7V的二極管。若設(shè)輸入端A、B的高、低電平分別為3V、0V，可知：(1)當(dāng)A、B端的電壓為均為0V時(shí)，D1、D2均導(dǎo)通，此時(shí)輸出端Y的電壓為0.7V；(2)當(dāng)A端電壓為3V，B端電壓為0V，則二極管D1截止，D2導(dǎo)通，此時(shí)Y端電壓為0.7V；(3)當(dāng)A端電壓為0V，B端電壓為3V，則二極管D1導(dǎo)通，D2截止，此時(shí)Y端電壓為0.7V；(4)當(dāng)A、B端的電壓為均為3V時(shí)，D1、D2均導(dǎo)通，此時(shí)輸出端Y的電壓為3.7V。將四種情況列于表2，此時(shí)，若規(guī)定大于3V為狀態(tài)“1”，小于0.7V為狀態(tài)“0”，則表2與表1一致，獲得正確的與邏輯關(guān)系[6]。

圖2 與門(mén)

表1 與門(mén)真值表

表2 二極管與門(mén)輸入輸出電壓表(單位：V)

在教學(xué)中，通過(guò)上述分析可使學(xué)生將邏輯運(yùn)算及其所蘊(yùn)含的模擬電路知識(shí)融會(huì)貫通，領(lǐng)悟邏輯狀態(tài)是電壓等物理量的抽象化表示。同時(shí)，為加深學(xué)生的理解，在“1331”模式下還需引入仿真技術(shù)，使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)形成直觀感受。通過(guò)調(diào)整仿真中的各項(xiàng)參數(shù)，還能提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，拓展其思維。研究采用MATLAB軟件中的Simulink模塊對(duì)二極管與門(mén)電路進(jìn)行仿真示例，其仿真電路如圖3，各端口電壓如圖4，二者驗(yàn)證了表2中的理論數(shù)據(jù)。

圖3 二極管與門(mén)仿真電路圖

圖4 輸入輸出電壓波形圖

在介紹二極管門(mén)電路后，為引入如目前集成門(mén)電路的主流制作方式等行業(yè)背景知識(shí)，就需要對(duì)二極管門(mén)電路的缺點(diǎn)進(jìn)行分析以創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境。筆者設(shè)計(jì)了一種3級(jí)二極管與門(mén)的級(jí)聯(lián)實(shí)驗(yàn)，其電路如圖5。根據(jù)“與”邏輯定義，3級(jí)與門(mén)的輸出狀態(tài)應(yīng)分別為：Y1=“0”，Y2=“0”，Y3=“0”。對(duì)該級(jí)聯(lián)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到輸出端Y1、Y2、Y3的電壓如圖6，各端電壓均小于3V，即狀態(tài)不為“1”，滿足“與”邏輯關(guān)系。但值得注意的是，相鄰兩級(jí)輸出的低電平總是相差0.7V，造成此現(xiàn)象的原因是二極管存在導(dǎo)通電壓，如果將上一級(jí)與門(mén)的輸出作為下一級(jí)與門(mén)的輸入，將會(huì)產(chǎn)生電壓偏移。

圖5 級(jí)聯(lián)與門(mén)仿真電路圖

圖6 各級(jí)輸出電壓波形圖

在觀察到此特殊現(xiàn)象時(shí)，教師不僅需要引導(dǎo)學(xué)生分析成因，還應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)散思維。例如“與門(mén)的級(jí)聯(lián)會(huì)造成電壓偏移，若將圖5中級(jí)數(shù)擴(kuò)增至5級(jí)，其輸出狀態(tài)是否仍符合‘與’邏輯？”由相鄰兩級(jí)相差0.7V可知，第4、5級(jí)的輸出電壓分別為2.8V、3.5V，若仍延續(xù)大于3V為狀態(tài)“1”的規(guī)定，則第5級(jí)與門(mén)的輸出狀態(tài)為“1”，不符合與邏輯關(guān)系。此外，若將二極管與門(mén)、或門(mén)電路進(jìn)行對(duì)比分析還可發(fā)現(xiàn)，在輸入端相同高、低電平的設(shè)定下，兩者關(guān)于狀態(tài)“1”的電壓有著不同定義，聯(lián)合使用時(shí)會(huì)難以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，二極管門(mén)電路不適宜用于大規(guī)模集成，也不能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

在此情境下，則可自然地引申出當(dāng)前集成電路行業(yè)的門(mén)電路構(gòu)成形式：根據(jù)其內(nèi)部有源器件的不同可以分為三類[7]，一類是雙極型晶體管門(mén)電路，如TTL門(mén)等；一類是單極型MOS門(mén)電路，由NMOS或PMOS等場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成；第三類由兩者的組合(即BICMOS門(mén)電路)構(gòu)成。其中，CMOS集成門(mén)電路具有功耗低、電源電壓范圍寬、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為主導(dǎo)技術(shù)，占據(jù)了約80%的市場(chǎng)份額。

這種通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考的情境創(chuàng)設(shè)方式，不僅傳遞了行業(yè)背景知識(shí)，還提高了學(xué)生自主探索的積極性，對(duì)“新工科”人才核心素質(zhì)(如實(shí)踐和創(chuàng)新等能力)的培養(yǎng)有著積極意義。

3 結(jié)語(yǔ)

研究針對(duì)“新工科”背景下“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的“1331”教學(xué)模式進(jìn)行探究，陳述了其在教學(xué)實(shí)踐中存在的問(wèn)題，并給出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。以二極管門(mén)電路為例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從電氣特性計(jì)算到邏輯狀態(tài)分析的無(wú)縫銜接。通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境合理引入行業(yè)背景知識(shí)，提升了教學(xué)效果，進(jìn)一步落實(shí)“新工科”建設(shè)理念。