“模拟与数字电子技术”课程教学探索

张凡　胡中秋　王能庆

摘 要 “模拟与数字电子技术”是测控技术与仪器专业的一门专业基础课程，该课程是“测控电路”和“精密测量技术”等课程的先行课，学习效果将直接影响后续课程的学习。本文探索了一些教学方法，以应对测控专业学生薄弱的电路基础和有限的学时对课程教学效果的影响。

关键词 测控专业 教学内容设计 教学方式设计

中图分类号：G424                                       文獻标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.07.064

Abstract "Analog and digital electronic technology" is a professional basic course of measurement and control technology and instrument major. This course is the previous course of "measurement and control circuit" and "precision measurement technology"， and the learning effect will directly affect the learning of subsequent courses. This paper explores some teaching methods to deal with the influence of weak circuit foundation and limited class hours on the teaching effect of measurement and control major students.

Keywords measurement and control major; teaching content design; teaching method design

0 引言

随着万物智能、万物互联时代的到来，交叉学科越来越要求学生具备宽广的专业基础。模拟电子技术基础和数字电子技术基础不仅是所有电子大类专业必修的专业基础课程，也是很多相关交叉学科的基础必修课。在国内外，“模拟电子技术”和“数字电子技术”课程教学，在电类专业已经发展了很多年，很多高校优秀教师团队根据自己积累的教学经验，编写了优秀的教材和辅导书籍。如清华大学电子学教研组合著的童诗白和华成英版《模拟电子技术基础》和《数字电子技术基础》，[1][2]华中科技大学电子技术课程组合著的康华光版《电子技术基础》模拟部分和数字部分，[3][4]我校教授与其它高校合作编著的《模拟电子技术》和《数字电子技术》[5][6]等等。 在国外，也有相关的优秀教材，如Anant Agarwal和Jeffrey H.Lang合著的信息技术和电气工程学科国际知名教材“Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits”。[7]然而，针对非电类专业特殊情况裁剪的相关教材却鲜有见到。究其缘由，是因为教材编写者主要是教学实践主体，主要是教授电类专业学生，所以教材的编写主要是根据本校或同类学校电类专业的具体学时、学生的学习基础、学习能力和教学目标编写而成。因此，非电类专业的电子技术基础课程需要根据具体情况，具体设计教学内容和教学方法。本文将从教学内容设计和教学方式设计两个方面进行实践探索。

1 模拟部分教学内容设计

测控技术与仪器专业“模拟与数字电子技术”课程要求涵盖电类专业“模拟电子技术”和“数字电子技术”两门课的内容，需要大量课时。例如，康华光版《电子技术基础》模拟部分建议64～72个理论课时和24～32个实验课时。然而，本课程一共只有68个理论学时，分配给模拟电子技术部分的只有34个左右的学时。

传统的模拟电子技术教学内容有8个章节，具体包括（1）半导体二极管及其基本电路、（2）半导体三极管及其放大电路基础、（3）集成电路运算放大器、（4）负反馈放大电路、（5）信号的运算与处理电路、（6）信号产生电路、（7）功率放大电路和（8）直流稳压电源。

为了匹配课时量并保证教学质量，对内容进行了剪裁和调整，并根据基础和应用之间的逻辑关系，分为如下四大部分教学：

（1）模拟信号概述与线性放大：该部分作为课程的绪论，主要介绍信号及其放大的一些基本概念，复习先行课程“电路理论”的基本知识，为后续学习提供引导性和铺垫性的知识。

（2）半导体二极管及直流稳压电源电路：本章主要介绍本征半导体和杂质半导体的基本知识，PN结的形成和特性。重点学习最简单的半导体器件——二极管及其应用电路。同时，通过学习基本的直流稳压电源电路，深入分析二极管在整流电路、限幅电路和开关电路中的应用方法。

（3）运算放大器与负反馈放大电路：运算放大器是一种增益很高的三端器件，实际使用中，必须加入负反馈，才能实现信号的线性处理，包括加减乘除和积分微分运算。因此，本部分将运算放大器、信号的运算与处理电路及负反馈放大电路综合成一部分，由浅入深进行讲解。

（4）MOS场效应和BJT双极结型三极管及其放大电路：MOS三极管和BJT三极管是目前使用的最广泛的两类三极管器件。MOS三极管是电压控制器件，BJT三极管是电流控制器件。它们既有共性，也有不少不同点，将它们放到一同讲解，有利于学生的迁移学习和对比学习，帮助他们构建清晰有效的知识架构。三级管的放大电路包括小信号放大和功率放大两大应用，本章将通过例题讲解，对比学习三极管的小信号模型分析方法和功率放大电路的大信号图解分析方法。

2 数字部分教学设计

康华光版“电子技术基础”数字部分建议56～64个理论课时教学和32～40个实验课时教学。然而，本课程分配给数字部分的课时也只有34个学时左右。传统的数字电子技术部分内容有8个章节的内容，具体包括：（1）数制与编码、（2）逻辑门、（3）逻辑代数基础、（4）组合逻辑电路、（5）触发器、（6）寄存器与计数器、（7）时序逻辑电路的分析与设计和（8）脉冲波形的产生与整形电路。

同样，为了匹配课时量并保证教学质量，对内容进行了剪裁和调整，并根据基础和应用之间的逻辑关系，分为如下五大部分教學：

（1）数字逻辑概论：本部分主要介绍数字逻辑的基础知识，包括数字信号的描述方法、数制及数制转换方法、有符号二进制数及其算术运算，格雷码、ASCII码、奇偶校验码和BCD码等二进制编解码方法。

（2）逻辑代数：介绍基本逻辑门、三态门、逻辑代数的基本运算和复合运算方法、逻辑代数的基本定律和规则、逻辑函数表达、变换和代数化简方法，最小项和最大项表达式，卡诺图的设计、规律和化简方法。卡诺图是设计组合逻辑电路中最重要的工具，卡诺图表格的设计和单元格编号的排序是历届学生学习的难点。授课中从一元变量卡诺图的设计，演化到二元变量卡诺图的设计，在到三元变量卡诺图，最后到四元变量卡诺图设计，帮助学生理解演化规则。

（3）组合逻辑电路：讨论组合逻辑电路的分析步骤和设计方法、竞争冒险的发现与消除。将介绍组合逻辑电路中所有的基本电路单元，包括编码器与译码器、数据分配器和选择器、数值比较器和加法器。重点分析这些基本电路的扩展方法，如利用8线-3线编码器扩展成64线-6线编码器，利用数据选择器芯片代替分立逻辑门实现多变量逻辑函数的功能，利用译码器控制显示器的静态现实或动态现实等等。

（4）锁存器与触发器：锁存器和触发器是时序逻辑电路的基本单元。本章主要讨论SR锁存器和D锁存器、主从D触发器和维持阻塞D触发器，分析D触发器、JK触发器、T触发器和SR触发器的逻辑功能。

（5）时序逻辑电路：介绍时序逻辑电路的基本概念，讨论时序逻辑功能的描述方法，讨论Mealy型和Moore型时序电路的区别，学习同步和异步时序逻辑电路的分析和设计方法，学习寄存器和移位寄存器及其基本应用电路，学习异步计数器、同步计数器和集成计数器的应用。

3 教学方式设计

虽然“模拟电子技术”和“数字电子技术”在电类专业，是非常普遍的课程，上课学生多，讲授的教师也多，属于大众课程，重视程度高。但是，在非电类学院，缺乏相关电类教师，需要学习本课程的学生也少得多，属于小众课程，不属于重点关注课程。“模拟与数字电子技术”课程安排的是大班教学，课堂学生人数达到100人以上。并且学生电路基础薄弱，且课时只有电类相关课程学生的1/2～1/3，非常紧张。为了解决学生多、课时较少、基础薄弱等现实问题，特设计了如下的教学方式：

（1）借助移动学习缓解课时不足问题：人手一部智能手机，睡觉前看手机，睁开眼第一件事也是看手机是目前普遍存在的社会现象。刚刚脱离父母时时关注、高考高压环境的大学生，几乎无时无刻在利用点滴零碎的时间刷手机。利用学生的手机依赖症，QQ学习群和中国大学MOOC国家精品课程资源，有计划地帮助学生选择合适的优秀互联网学习素材，辅导和督促学生课外的移动学习。例如，本课程向学生推荐了华中科技大学电子技术课程组的大学MOOC国家精品课程“模拟电子技术”和“数字电子技术”，要求学生同步完成线上测试题。由于国家精品课程面向的授课对象广泛，课程资源并不是100%适合我们的学生。因此，简单口头提醒要求学生，难以取得良好效果。因此，需要教师提前查看分析课程线上资源、亲自听课、做测试题，体验学生的实际感受，对内容进行分析裁剪，并利用QQ学习群发布课外学习方法和路线，辅导学生、督促学习进度、保证学习效果。

（2）充分分解知识点应对基础薄弱问题：模拟和数字电子技术的学习要求学生有良好的“电路分析”、“线性代数”和“高等数学”基础。尤其是非电类专业学生的“电路分析”基础普遍较差。调查现实，大量学生无法熟练使用KCL方程和叠加定律等电路分析中最基本、也是最关键的重点方法，导致学习模拟电子技术时非常吃力。数字电子技术的学习也要求有一定的线性代数基础，以有效地学习逻辑代数、处理逻辑组合电路中的电路分析和设计问题。因此，本课程将每个章节中的知识分解成众多微小的知识点，每个PPT的篇幅限制在20也内，大多在平均10～15页之间。每个PPT仅仅讲述一个小问题。例如，在以前的教学中，整章“组合逻辑电路”一个PPT，竞争冒险的概念往往是被嵌入一个大PPT中的少数几页，学生听完后，还是觉得概念抽象、理解吃力、印象很浅，在大脑中很快被后续内容覆盖。但把竞争冒险作为一个独立的PPT，花费十几页，可以非常清楚地阐明组合逻辑电路产生竞争的原因，导致冒险的不良后果，以及发现竞争的方法和消除竞争的三种途径。学生听完后觉得这个概念考虑了电路在实际运行中可能产生和的问题、内容现实实用、学习起来简单易懂，提升了学习的积极性和自信心。

4 结语

非电类专业交叉学科“模拟与数字电子技术”的教学需要教师在实践中不断积累经验，根据本校本专业的学生基础和学习特点，根据专业的课时分配探索适应具体情况的教学方法。本文探索了在学时紧张、师生比低、学生基础薄弱的情况下的各种定制化教学方法。通过重组教学内容、借力移动学习资源、充分分解知识点的方式，改善教学效果。

参考文献

[1] 清华大学电子学教研组编，童诗白主编.模拟电子技术基础.高等教育出版社.

[2] 清华大学电子学教研组编，阎石主编.数字电子技术基础.高等教育出版社.

[3][4] 华中科技大学电子技术课程组编，康华光主编.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社.

[5] 陶恒齐主编.模拟电子技术.第二版.华中科技大学出版社.

[6] 张小华主审，刘歆副主编.数字电子技术.华中科技大学出版社.

[7] 爱格瓦尔 （Anant Agarwal），朗 J.H. （Jeffrey H.Lang）.模拟和数字电子电路基础（Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits）.于歆杰，译.清华大学出版社.