“数字电子技术”课程思政元素探讨

韩力英，武 一，吴焕丽

(河北工业大学 电子信息工程学院，天津 300401)

0 引言

2021年3月20日，高校课程思政建设系列研讨会第一次专题研讨会由清华大学和高等学校大学物理课程教学指导委员会承办，七万多人在线观看。会议就课程思政建设研究和建设实践中的认识与思考等进行了深入交流与深刻研讨。同时，教育部办公厅于3月16日发布了课程思政示范项目建设工作，作为高校本科专业课程，是课程建设的“主阵地”，是课堂教学的“主渠道”。作为高校教师要充分挖掘专业课程中的思政元素，发挥“主力军”作用，始终坚持立德树人，使价值塑造，知识传授，能力培养同向同行。

世界是模拟的，而将模拟的世界数字化，为信号的存储、传输、处理找到了便捷路径，这就是数字电子技术出现的意义。数字电子技术的出现，带来了电子产品的革命，改变了世界的通信技术，同时为大数据、人工智能、航空航天技术的发展奠定了基础。如今，数字电子技术的发展与壮大，已经逐渐占领了全球信息化进程的主导地位。

从1904年弗莱明证实电子管的阀门作用，到1948年美国贝尔实验室晶体管的问世，再到今天超大规模集成电路的使用，短短一百多年时间，可以说电子技术的发展创造了一个又一个奇迹，改变了人们的生活。没有数字电子技术的出现，就没有今天飞速发展的科技进步。“数字电子技术”课程授课教师在保证学生掌握基本理论及基础知识的基础上，如何挖掘思政元素，做好课程设计，从根本上激发学生学习对数字电子技术的兴趣，使之主动学习，探索数字电子技术的奥秘，勇于创新，使之在内心充满为自己、为祖国、为世界、更是为科技的发展贡献自己的力量的激情，是值得探索和讨论的话题。

1 课程各模块的思政元素

“数字电子技术”课程是高校电类专业的学科基础和专业基础课程，每个学校根据自己的专业设置实际情况，该课程大致都包含数制与码制，逻辑代数基础，逻辑门电路，组合逻辑电路，时序逻辑电路，常用集成电路模块及应用，可编程逻辑器件，A/D和D/A转换器以及波形整形电路等模块。下面是每个模块可涉及到的思政元素[1-3]。

1.1 数制与码制

数字电子技术给人们的日常生产生活带来了巨大改变，作为中国未来的建设者，都有学好数字电子技术的责任。

数制与码制的出现，对计算机技术发展的影响，对信息技术、航空航天、人造卫星的的推动作用，对海陆空交通的影响，对人工智能领域的影响都是巨大的。

1.2 逻辑代数基础

逻辑代数基础部分，讲述一些公理和定理，数字电路设计需要遵循这些公理和定理，如违背了这些公理和定理，电路就不能正常工作。社会也有健康发展的规律、安全的规律、法律的制约规律等，万物都有它的制约因素，违背了就会收到一定的惩罚。逻辑函数表达具有两种标准形式，积之和与和之积，我们每个人也要遵守社会道德标准，法律法规，做一个有目标的人，做一个文明的社会人。卡诺图化简中，要去掉对电路不受影响的因子，使学生意识到要让自己成为社会发展的脊梁，不要成为可有可无的存在。同时万物都有辩证发展的多样性，对于卡诺图化简的无关项，可做1用可做0用，使学生意识到祖国建设哪里需要哪里去，一切行动听指挥。

1.3 逻辑门电路

逻辑门电路中，小小的与或非门构成了计算机，构成了数字信号处理自动控制系统，正是前人不断探索基本门电路的奥秘，才有了今天的快速计算、快速处理技术。引用荀子的“不积跬步无以至千里，不积小流无以成江海”，使学生意识到学习知识就要一点一点的积累，最终为我所用。分析具体电路的工作原理时，每一个电阻，每一个二极管都有自己的作用，虽小都是不可或缺的，使学生意识到天下兴亡，匹夫有责，每个人都要担当起自己的责任与义务，要树立起正确的人生观、价值观、世界观。各种类型门电路都有自己的优缺点，在使用时，往往相互组合取长补短，使学生意识到金无足赤人无完人，三人之行必有我师，要善于学习他人的长处，弥补自己的短板。

1.4 组合逻辑电路

组合逻辑电路是由基本的门电路按照一定的设计规则，构成的能够满足功能要求的各种电路。使学生意识到人生规划很重要，向着规划目标努力很重要，只要努力，你可以成为父母的骄傲，国家的骄傲。在分析与设计组合逻辑电路时，有可能出现竞争与冒险，使学生意识到竞争无处不在，与他人竞争，与自己竞争，不要觉得今天学习与差一点没关系，明天学习差一点没关系，让时间白白浪费掉，终究是失之毫厘谬以千里，要始终有竞争意识，让这种竞争意识成为自己学习、工作前进的动力。

1.5 时序逻辑电路

给组合逻辑电路加上触发时钟，使之有了存储记忆功能，就构成了触发器，时钟坏了，电路就不工作了。使学生意识到要珍惜生命，自己是家庭的时钟，身上肩负着赡养父母的责任，自己是国家的时钟，身上肩负着建设国家的使命，要不忘初心，牢记使命。在分析与设计时序逻辑电路时，器件选择不同，设计出来的电路就不同，有的选择设计容易，有的选择设计困难，最终都是完成相同的功能。使学生意识到虽然选择的学校不同，专业不同，最终的目标都是一样的，都应该使自己成为对社会有用的人。

1.6 常用时序集成电路模块及其应用

计数器是常用的集成电路模块，它是按照一定规律记录脉冲个数的器件，只要满足条件，就会一直计数下去。引用海伦凯勒的例子，使学生意识到生命不息奋斗不止，要始终保持奋斗的姿态，让自己的人生绚烂多姿。今天的美好生活，正是无数的革命先烈为了自己的理想鞠躬尽瘁死而后已换来的。在进行时序逻辑电路设计时，各种电路模块都有自己的功能，当它们按照一定的规则组合在一起，可以构成规模更大的时序逻辑电路系统，完成一定的功能。使学生意识到团结合作很重要，只有遵纪守法，自觉维护国家稳定。

1.7 可编程逻辑器件

不同的可编程逻辑器件的编程方式不同，能够完成不同的设计工作。使学生意识到每个人都可以在平凡的岗位上贡献自己的力量，不要好高骛远。针对我国芯片技术发展瓶颈受到制约问题，激发学生的家国情怀，激发学生努力学习的意识，为祖国的繁荣昌盛添砖加瓦。

1.8 D/A转换器和A/D转换器

在学习转换器时，使学生意识到遇到问题可以从不同的角度去思考，可以用不同的方式来解决，条条大路通罗马，只要努力，每个人最终都能实现自己的理想。

1.9 脉冲产生与整形

微分电路和积分电路是脉冲产生与整形模块中最重要的部分，都是由电阻电容构成，但是同样的器件，不一样的连接位置关系，就构成了不同的电路。使学生意识到要努力学习，打好基础，走到哪里都能发挥自己的作用。施密特触发器能够进行波形变换，信号整形，幅度鉴别，构成多谐振荡器等。使学生意识到人生不同阶段担任不同的角色，只有努力学好基础知识，提高自己的创新能力，增强自己的综合素质，才能在今后工作生活中，顺利进行角色变换。

1.10 可编程逻辑器件

通过数字电子技术实验项目设计，使学生熟悉电子工程师的责任与道德、立足根本，根据客观条件，选择切实可行的方案，使学生建立良好的工程责任和工程素养，培养学生实事求是的工作作风以及严谨的科学态度。通过对实验的设计完美性以及对实验结果分析的正确性，培养学生理论联系实际的能力，动手能力，使自己成为德智体美劳全面发展的人。

2 课程思政设计案例

“数字电子技术”课程能够挖掘的思政元素很多，但是并不能喧宾夺主，应该仍然以专业课程知识学习为主，可以适时适量的插入思政元素。教师可以根据自己授课的实际情况，设计几个思政元素点，在专业课程的教学过程中，通过一个短视频或者在专业课程内容讲解中插入一两句话，点到即可。例如可以在课程开始之前插入两分钟微课，介绍中国天问一号探测车新技术的发展。讲述时序逻辑电路时，可以引用海伦凯勒的例子，激发学生对生活的热爱，不屈不挠的奋斗精神。实验课中润物细无声的融入思政元素。下面以实验设计案例进行课程与思政元素融合。

2.1 设计案例-交通灯控制系统设计

通过分析交通灯控制系统和数字电子技术知识关联，提高思政元素与授课内容的贴合度，培养学生的责任感和创造的内驱力。引导学生将复杂的交通灯控制系统工程问题，提炼抽象成基于数字电子技术的交通灯控制系统设计，培养学生遵纪守法、文明交通意识，点燃学生的学习热情。

2.2 案例教学目标

案例设计从知识、能力、素质三个方面进行课程目标的达成。知识目标：掌握集成计数器的功能及典型应用；能力目标：学生应具有组合逻辑电路、时序逻辑电路等电路的设计能力和实践操作能力，应具有查阅资料能力和电路评价能力；素质目标：以成功设计“交通灯控制系统”，培养学生的解决复杂工程问题能力和精益求精的工匠精神。

2.3 案例教学设计

为了引导学生深入理解计数器74LS161的工作原理和典型应用，通过“交通灯设计”这样一个主题线索，设计了验证性→设计性→交叉学科创新性三个阶段的实验，内容层层递进，难度螺旋上升。在自学→分组学习的过程中，不断应用翻转课堂、师生讨论等方法，指导学生能从工程和科学的观念发现问题、分析问题和解决问题；在进行设计的过程中，引入思政元素，培养学生精益求精的大国工匠精神，培养他们遵纪守法、文明交通的意识，激发他们科技报国的爱国情怀和使命担当。

最终构建知识、能力、素质“三层面”的高阶学习目标。教学设计思路和实施过程如图1所示。

图1 教学设计实施过程

验证性实验阶段学生通过自学，自行设计电路验证74LS161置数、清零和移位等功能，观察同步置数和异步清零的现象，理解“同步”“异步”区别。设计性实验阶段学生分组学习，共同探索使用 74LS161设计计数器电路，要求在计数达到设定值时重新开始计数，并能分组讲解该组设计思路和结果。在创新性实验阶段，学生分组可以先进行趣味游戏学习，两人一组选择合适的门电路配合 74LS161 实现模可变计数器，要求可以实现1～45内任意模计数器并可改变计数器的模。然后再进行交通灯控制系统设计。两人一组将复杂的交通灯控制系统的工程问题进行提炼，抽象完成基于数字电路的交通灯控制系统设计，并能对其他学生设计出的计数器及交通灯控制系统结果进行，通过分组演讲，学习交流设计过程和分析过程。

设计过程中，引导设置思考题，加强对学生学科思维能力的培养。例如如何实现可减计数器？如何避免 74LS161 进入错误计数状态？

2.4 从问题根源引出思政教育

学生在实验设计过程中会遇到各种问题，如芯片哪个位置是1脚？计数器怎么不工作？芯片电源怎么接？电路怎么输出不对？数码管显示怎么不对？

问题根源：学生对数字电路的原理理解不透彻。

为了解决这个问题，本案例试图从以下几个方面来加深学生对原理的理解，提高学生对数字电路的应用能力。

如何让学生将复杂的数字器件化繁为简？

如何让学生自己动手理解组合逻辑电路、时序电路原理？

以学生实验项目设计和实验操作中实际遇到的问题为载体，通过对问题的深入分析与实验验证，引导学生加深对逻辑组合电路、时序电路等理论概念的理解，使学生能够深刻体会实际动手操作与软件仿真的区别，学习解决工程实际问题的思路与方法，引导学生了解可以进一步学习的知识点，明白“工匠精神”在实际项目开发中的意义，引导学生将复杂问题分解，将复杂元件的逻辑问题剖析成最基本电路原理。该案例能够使学生掌握科学的分析方法，遇到复杂工程问题时可以逐级分解学过的基础理论知识，从而提高解决复杂工程问题的能力。

3 结语

“数字电子技术”课程可以通过思政元素挖掘和课程设计过程，全面落实立德树人根本任务。以社会主义核心价值观为引领，以社会需求为导向，以知识传授，能力培养为目标，教学过程中，通过自身实事求是的工作作风以及严谨的科学态度润物无声地融入到课堂教学活动当中。通过电路分析与设计，实验项目设计等深入挖掘思政元素，培养学生的竞争意识、务实精神，责任与担当，自学与反思能力，激发学生的学习兴趣，创新活力与能力，理论联系实际的能力，动手能力，使学生树立正确的价值观、人生观、世界观和社会责任感。