课程体系重构的数字电路教学改革研究
数字电路课程是信息类专业的必修核心基础课程，该门课程在整个专业课程体系中占据非常重要的地位。随着互联网信息技术的发展，特别是近年来信息化技术向教育领域的深度融合发展，传统的教学方式在教学实践过程中带来的弊端也越来越明显。对教师来说，教学方式大多还是采用讲授法（即按教材逐章逐节的方式）进行课堂教学，这种方式较为枯燥，学生接受程度不高，且课程实验的系统性实验设置少，学生的思维广度和深度受到限制。对学生来说，学习态度的惰性较为明显，且由于课堂是按章节渐进的方式进行，学生往往能掌握某个简单知识点，却无法自己构造整个课程内容的知识体系框架。在碰到复杂电路系统的时候，学生无法从整体、协作的角度去看待问题，思维方式不够活跃。如何在新形势下抓住教育信息化带来的机遇，深刻反思和改革课程教学，成为高校教育工作者需要正视和重视的命题。
1 相关研究工作
数字电路课程教学改革的命题提出由来已久，许多教育工作者都提出了自己关于这门课程教学改革的思路和实践，主要集中体现在两个方面。
在教学内容上，探讨前后衔接课程的内容融合教学改革方面。提出将数字电路和EDA课程融合培养学生由基础学习到创新应用，逐步提高人才质量的方式；通过建立知识地图将模拟电路和数字电路联系起来并通过Proteus引入虚拟仿真实验。
在教学方式上，以改革实验条件为主，或采用仿真软件或重新设计实验系统。提出采用“仿真分析—理论解释—实例应用”的教学方法、Multisim仿真分析和理论教学相结合的方式以激发学生的学习兴趣；提出将Multisim仿真软件应用到课堂教学中，利用其仿真能力和直观形象的演示效果以提高教学质量；通过设计一些可以观察、验证的常用数字电路系统案例提出“反设计”教学模式，在分析现有系统的基础上进行扩展设计。
以上这些改革内容大都从教学过程中的某个点切入，力求通过该点的改革和实践改变数字电路课程的教学现状。在新形势下为适应变化需要进行更加彻底的课程改革，需要在更深层次、更大范围对课程教学方式、教学方法进行研究探讨，这就需要对课程进行体系重构。
2 应用型本科院校数字电路课程体系重构的必要性
自2012年“慕课元年”以来，一大批优秀的在线开放课程建立起来，现代化在线教育带来丰富的在线教学资源，其中不乏名校名师的课程，学生可轻易从网络平台上获取知识。线下的课堂如果还是以传授为主的教学方式，不仅很难调动学生学习的积极性，也会与在线课程的教学形成强烈对比，学生有可能更不愿意在课堂上认真听讲了。
智能化的新一代工业革命催生“新工科”，《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》对当前工程教育提出新的要求，“要开展深化产教融合、校企合作的体制机制和人才培养模式改革研究和实践”。产教融合、校企合作，对于应用型院校基础课程来说，就是在平时的教学中更加重视实践的力量，更加注重在理论教学过程中对学生整体系统思维的开发和引导。
2017年1月，教育部办公厅发布了2017年教育信息化工作要点，其中明确指出要“组织开展本科高校信息技术与教育教学深度融合的课程体系重构研究和实践探索，推动核心课程群建设与应用，助推教学改革”。数字电路是传统信息学科的核心专业基础课程，我们要充分利用现有的信息教育技术，在课程基本核心知识点不变的前提下，探讨如何重构课程知识体系，使得在智能化信息化革命中以不变应万变，真正实现教育现代化。
3 基于课程体系重构的数字电路课程教学模式
图1是基于课程体系重构的数字电路课程教学模式，该模式体现以学生为中心的教学理念，着重在整个教学过程对学生兴趣的培养、思维的培养以及技能的培养。
图1基于课程体系重构的数字电路课程教学模式
教学模式中将整个学习阶段依次分为4个阶段：扎实根基阶段、感性接触阶段、知识归纳阶段和巩固提高阶段。该模式以案例驱动的方式让学生获得最基本的逻辑工具，然后以系统倒推的方式组织知识点。往常的课程内容组织都是以章节为序最终才有完整的数字电路系统，此种教学模式反其道而行之，按照“系统整体—部分分解—提出问题—子部分知识—整体协作—知识归纳—课程框架”的逐层递进方式，力求在整个教学过程中充分调动学生的学习兴趣、培养学生的系统思维能力，帮助学生凝练课程核心概念和构建课程知识体系框架。最后是分析一些特定环境下可能出现的特殊情况，引入关于电路的竞争冒险知识和门电路的组成及选用，以让学生通过锻炼形成批判性思维。
3.1扎实根基阶段
该阶段主要是以案例驱动的方式帮助学生获得最基本的逻辑基础知识，这些基础知识包括真值表、逻辑表达式、最小项、无关项、公式法/卡诺图法化简、基本逻辑关系、基本逻辑门等。
在案例驱动的过程中，可以是所有基础知识点都用一个案例进行分析，方便学生在对比中进行知识的学习，而摒弃掉那些复杂多余的东西，如讲到“最小项”这个概念时，除了指出2变量、3变量、4变量的最小项之外，还要指明最小项与真值表的关系、最小项与逻辑表达式的关系，关系如图2所示。当讲到“卡诺图”时，可以在之前的例子中再次建立卡诺图与最小项、真值表和表达式之间的一一对应关系。
图2 逻辑代数中案例驱动的例子
3.2感性接触阶段和知识归纳阶段
从整体数字系统入手带领学生感性接触数字电路，将数字电路涉及的知识点用Multisim仿真软件设计成各种实用有趣的数字电路系统，并将这些系统从简单到复杂进行排序组成系统序列。
针对每个系统依次进行讲解，分析各部分的工作情况，然后讲解整个系统的协同工作情况，并抽象出系统中涉及的芯片及对应器件的特点，这是感性接触阶段。在完成单个系统的感性接触阶段后，对该系统进行归纳总结，如组合电路的特点、时序电路的特点、描述方法和工具，这是知识归纳阶段。实施过程如图3所示。
图3 表明“抢答器电路”和“彩灯电路”两个系统在系统序列中的教学流程。
从单个系统角度来看，以“抢答器电路”为例。首先，先在课堂上进行电路整体工作情况的演示以引起学生的兴趣。其次，对出现的芯片7400、7404、7420、74273分别进行功能介绍和器件功能说明。如讲到7400的时候，除了说明与非门的逻辑功能外，还要讲7400芯片里面有4个与非门、输入输出情况、引脚情况；在讲74273的时候，则要说明D触发器的工作过程、与8D触发器的关系、器件引脚等情况。最后，在讲清楚各个部件的工作原理之后，再就整个系统工作过程，从输入到输出，针对每种可能情况，进行仿真分析以锻炼学生的系统思维能力。如在“抢答器电路”，首先由主持人控制清零，然后由4位选手按下按键，谁按下发生什么情况和灯亮、灯不亮等情况要讲清楚讲明白。
在完成以上的感性接触阶段之后，以问题为导向进行知识点归纳：在这个系统里碰到的组合电路7400、7404和7420，他们共同的特点是什么、输入输出的特点是什么、可以用在什么地方；74273跟前面3个有什么不同、输入输出特点怎样。以类似这样的问题，一步一步引导学生深入分析，最后得出组合电路的电路特点和时序电路的电路特点。
在完成一个系统之后，选取下一个较为复杂的系统，按照上面提到的方法迭代进行。选取的系统由简单到复杂，碰到的系统不同则器件不同，可归纳得到不同的电路特点。在适当的讲解过程中，教会学生使用具体的描述方法和工具。所以，在这样一个一个系统的感性接触阶段和知识归纳阶段的迭代推进过程中，关于组合电路特点、时序电路特点、各类器件的特点和描述方法与工具等这些知识是在层层叠加、逐渐深入的，学生的思维方式、分析电路的方式和方法也得到锻炼。
在完成以上所有系统的分析之后，得到分电路的一般方法。接着以具体生动的例子引导学生完成一般电路系统的设计，按照“功能分解—分步设计—总体整合—模拟仿真—实物验证”的方式进行，得出设计数字电路系统的一般方法。
3.3巩固提高阶段
以在实验过程中出现的实际情况为例引出关于电路的竞争冒险问题以及消除险象的方法。在实验室中用7400实现函数F=AB+BCD+ACD，取B=C=D=1，此时F=A+A，A接实验箱上的连续脉冲源，使工作频率尽可能高，从而通过示波器观察冒险现象。然后，为此电路增加冗余项，观察增加后示波器的波形情况。
对于门电路部分，以问题导向的形式使学生了解逻辑门电路的内部构造，结合模拟电路部分内容，采用逐层递推的方式，力求学生能够掌握典型的与非门TTL门电路的内部构造。
通过以上措施，使学生更加深入地了解数字电路的门电路构造、了解数字电路可能产生的毛刺等冒险现象，教会学生在选用门电路器件的过程中要注重门电路器件的性能，设计逻辑表时要避免产生竞争冒险现象，达到知识的巩固与提高，提高学生的应用和设计数字电路的能力。
4 构建教学辅助平台
4.1构建信息化教学平台
在图1的教学模式下，颠覆传统的知识灌输方式，重要的概念需要学生自己在上课之前就要做好预习，因此必须为数字电路课程构建一个开放的在线课程信息化辅助教学平台，与课堂教学并行。在该平台上，以传统的“逻辑基础—门电路—组成电路—触发器—时序电路—电路系统”线路分章、分节、分知识点设置教学课件、教学视频，方便学生随时查看。同时，该平台将课程的核心知识构建起一棵课程核心知识树，知识树为每个知识点设置相应链接，学生能快速找到自己要搜索的相关资源，通过知识树，学生能构建起自己的课程核心知识点以及明确知识点之间的关系。
知识树结构如图4所示。在该树上，将课程涉及的核心知识都以树干、枝干、果实、叶子的形式呈现出来，每个文字部分都是一个链接热点，只要点击一个位置就能进入相关的知识内容。知识树的呈现方式，为学生构建课程的知识体系框架。如通常学生都知道数字电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路，触发器也是一个很常见的概念，那么对于第一次接触的学生来说可能很快就会忘记它是属于哪一部分的，但在这棵树上能一目了然。再比如，“数字电路”涉及很多种不同的器件，如编码器、译码器、数据选择器、寄存器、计数器等，这些器件归于哪一类别，树上的果实结点也一一标明。课程有很多基础逻辑知识需要掌握，在树的树干上也能找到对应的入口。
图4 信息化教学平台知识树结构
通过该课程平台，可以为老师和学生提供测验、作业、考试、答疑、讨论等教学组织活动，方便教师开展在线指导与测评。针对具体的单个器件特性和完整数字系统，平台上还保存了大量仿真视频，辅助学生理解各个不同的常用器件和数字系统。平台设置讨论区，学生可以就学习过程中出现的问题与老师、同学进行线上交流。
4.2构建虚拟仿真实验教学平台
2016年，《教育部关于高校深化教育教学改革的指导意见》提出要建设虚拟仿真实验教学中心，全面推进信息化实践教学平台建设，充分利用信息技术实现优质实验教学资源开放共享[9]。针对单门课程，也有建立虚拟仿真实验教学平台的必要性。
强实践性是数字电路课程的特点，在扎实理论知识的基础上，一定量的实践积累能让学生更好地掌握该门课程的精髓。重构后的教学模式，能极大地调动学生的创作思维，各种新奇想法和创新理念在学生的脑中闪现，设计思路需要在现实应用中才能得到证实。现有的实验设备主要还是以实验室实验器材为主，也有仿真软件Multisim，但该仿真软件不仅能用在数字电路上，也能在模拟电路和基础电路进行仿真[10-12]。因此，对数字电路单独这门课程来说，现有的仿真软件针对性不强。
采用虚拟仪器LabView构建基于“数字电路”的虚拟仿真实验教学平台，可以针对课程实践要求，最大限度满足学生随时进行数字电路系统创作的要求。在虚拟仿真实验平台上（如图5所示），实验课堂上的所有实验都有实现案例和详细文字讲解，还可对学生的创新性系统设计提供直观、真实的运行效果。
图 5 数字电路虚拟实验平台结构图
5 结语
基于课程体系重构的数字电路课程教学模式具有传统教学模式所不具备的亮点。首先，该课程教学模式从问题入手、以兴趣引导，能最大限度地调动学生的学习热情，激发学生进行思考。其次，以数字系统为分析蓝本，有利于学生形成系统思维，能从整体和细节两个维度对数字电路进行深度理解，更能指导课程实践。再次，完整的系统分析方法有利于课程知识点的衔接，数字电路不是单独的电路，实际应用中经常与模拟电路构成完整的整体系统，数字电路也往往是微机系统、接口电路的重要组成。最后，此种模式下的教学，可以充分利用现代化信息技术，实现学生教学资源获取便利、师生在线互动可行有效、模拟仿真实验平台器件真实呈现系统创新设计的效果。经实践证明，该模式能提高学生学习积极性和动手能力，对学生整体系统思维的锻炼也起到很好的作用。
课程体系重构的教学模式对其他课程同样具有辐射作用，如数据结构与算法课程，也可以用一个较为复杂的软件系统实例，通过分析其处理信息涉及的各类不同结构，进而分析各种不同逻辑结构的特点和相应存储结构的特点，也能达到激发学生兴趣、帮助学生建立课程知识体系架构的作用。
