教材:《数字电子技术》教材改革探索

摘要：数字集成电路设计、制造技术高速发展和应用日趋广泛、深入的今天，作为工科、电类专业主干基础课程的“数字电子技术”教学内容已经不适应现代电子技术发展的需要。本文在尽量不影响教学计划的前提下，对目前的教材和教学内容提出一些教改建议，以期逐步更新课程内容，并与国内从事该课程教学的教师共同促进数字电子技术的改革进程。

关键词：数字电子技术；教材；探索

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）03-0098-02

随着数字电子技术、集成电路设计、制造技术的高速发展和广泛应用，大量学科纷纷出现在高等教育的课程设置中，如DSP、嵌入式系统、SOPC、PLD、EDA、硬件描述语言等。这些课程引领电子技术的发展方向，把作为这一领域专业基础课的《数字电子技术》的地位和重要性也推到了前所未有的高度，同时也对数字电子技术课程的教学内容提出了极大的挑战！然而，难以乐观的是目前国内多数著名高校该课程的教材多少年来随着版本的更新，内容变化并不大。可喜的是，近年来有个别教师对《数字电子技术》教材做了非常大胆的改革，比如，有教材大篇幅地增加了可编程逻辑器件及应用，使学生在课堂上的大部分时间用于学习掌握现代电子技术设计方法；也有教材将微型计算机原理和数字电子技术合二为一，将微处理器结构作为数字电子技术的一个应用实例，这样不仅消除了传统数字电子技术内容零散的缺陷，同时也将微型计算机原理课程和数字电子技术课程有机地结合在一起，并可以减少学时数，方便课程安排。作者早在参考文献[1]中也提出这种改革方案，但由于教学内容的大量改动往往牵扯到教学计划和几门课程的改革等问题，影响面比较大。因此，多年来各著名高校依然按兵不动。本文在尽量不影响教学计划的前提下，针对目前的多数教材内容提出几点建议。

一、数字电子技术的发展和课程重要性介绍

国内外多数教材的开篇都是直入主题，对《数字电子技术》课程的重要性、电子技术的发展、课程特点及学习方法等问题很少介绍。这样使得学生在刚开课时就接受大量新概念，毕竟数字电子技术是走进数字时代的第一入门课程，由模拟世界到数字世界有些转弯太急。另外，开篇不介绍电子技术发展和一个典型应用，往往使学生学到最后都会感觉内容零散，慢慢失去了学习兴趣。这种大转折性课程有必要介绍电子技术的发展和广泛应用，介绍电子技术的发展，不仅使学生可以了解该学科前沿技术及目前应用状态，启发学生创新能力，也可以让学生体会EDA软件在现代电子技术设计中的作用，在课程学习过程中自发学习和利用EDA软件进行仿真实验，激发学生学习兴趣，引起学生对课程的足够重视，同时也给学生一个适应过程。教材中介绍课程的重要性是非常必要的，数字电子技术已逐渐渗透到各个行业及领域，推动着世界步入数字化时代，进入21世纪，数字电子技术将继续促进人类在各个领域的全面进步。作为走向数字化时代的第一门课程，重要性不言而喻。另外，应该强调学生应该学习一些什么？课程各章节的重要性和相互关系等。《数字电子技术》作为一个转折性和走向数字化时代的基础课程，也能鼓励之前学习较差的学生，将《数字电子技术》课程作为一个新的学习起点，走向美好未来。另外，电子技术课程也是很多高校某些专业的考研课程，对于以后想考研的学生提前告知也可以引起学生对该课程的高度重视。《数字电子技术》课程实践性很强，要在教材中强调高度重视实验环节，介绍使用EDA软件进行电路的设计和分析方法。鼓励学生在实验中遇到问题时要有积极主动分析问题和解决问题的心态，在不断解决问题的中提高自信和科研动手能力。

二、理论教学和实验内容的配合

目前多数教材不包含实验内容，而且EDA内容介绍很少甚至没有，实验与教学配合不是很紧密。如果教材中实验内容像每章后的作业一样安排，在教材中每章之后直接给出验证性实验和设计性实验内容，并增加EDA仿真实验，使学生一开始就学习和利用现代电子设计不可或缺的一些EDA工具，使数字电子技术的教学环节采取“黑板+PPT+EDA仿真”的模式，这样不仅使课程与实验衔接紧密，加深学生对所学理论知识的理解，利用课外学时也解决了实验时间有限的问题。同时，EDA仿真环境的开放性为设计性和探索性实验提供了实验环境，克服了实物实验中硬件损耗带来的资金压力和实验平台数量和开放时间的限制，对提高学生的综合素质、培养学生的自主学习和创新能力、激发学生主动探索未知事物的学习热情具有特殊的作用。当然，走进实验室熟悉硬件、搭接电路、调试电路等实验过程对于培养学生实际动手能力、分析问题和解决问题的能力具有重要意义。

三、增强实际应用例子

参考微处理器硬件电路，更新教材内容，使理论与实际相结合。《数字电子技术》的重点是分析和设计电路，也是微处理器课程的重要基础。如果能将部分内容和后续微处理器课程结合将会极大提高学生学习兴趣。目前教材中的很多应用实例陈旧且不结合实际，参考文献[1]中详细说明了存在的问题，在此举例说明并提出建议，例如：组合逻辑电路中的中规模集成器件（MSI）及应用，几乎所有的教材都是介绍概念、具体某器件符号图、功能表及应用等，介绍的多数器件型号比较陈旧且应用介绍与实际都有很大距离。比如，编码器从学生熟悉的键盘引出编码的概念和编码器的作用后，多数教材给出的集成编码器型号在实际中很少用到，应该增加实际键盘扫描原理电路介绍和实用的键盘编码器，比如16键盘编码电路74C922（CMOS工艺技术制造，工作电压3-15V，“二键锁定”功能，编码输出为三态输出，可直接与微处理器数据总线相连，内部能完成4x4矩阵键盘扫描）。译码器应用几乎所有教材都是介绍用74LS138译码器实现逻辑函数、多路分配器等，而没有介绍其最为重要的地址译码作用，如果介绍三态门时增加或增强总线结构，在译码器应用中就很容易引入地址译码器的地址译码作用。其实，在介绍数字电子技术相关内容时，将其应用延伸到微型计算机的结构，比如，中断控制逻辑需要的优先编码器、地址译码器、总线结构、键盘编码、存储器、时钟和复位电路等，在《数字电子技术》课程最后将很容易搭建起一个计算机简化结构模型。这不仅将《数字电子技术》零散的内容融为一体，而且在学习各个部分时，学生也会更有兴趣，也有助于后续课程相应内容的理解和学时压缩。

四、思考经典应用

很多教材或多或少都引用了之前教材的一些经典应用实例，导致再版或新出版教材都没有慎重考虑也照搬前人的实例，结果造成大多数的《数字电子技术》教材中都存在有问题的设计实例。比如，串行序列检测电路设计，在参考文献[2]中作者已提出该问题并引起了一些老师的重视，但多数教材问题依然存在；还有同步JK触发器，个别教材认为在CP=J=K=1时，JK触发器状态翻转一次，有教师就针对该问题发表了论文，认为根据JK触发器状态变化关系：00不变、11翻转、其它随J变。因此，CP=J=K=1时，JK触发器状态应该按照Qn+1=■n=1的规律并以各级门电路延迟时间之和为时间间隔，不断地翻转，直到CP有效高电平结束为止。其实这些说法都不正确，通过理论分析和仿真实验可以证明，CP=J=K=1时，JK触发器输出为：，Qn=■n=1，0n和■n不再互补，而且当CP变为低电平时，输出不确定。这是因为触发器中构成反馈的两个门的输入，在CP=J=K=1时，都为Qn，■n=0。这些问题说明即使是多数教材中都引用的内容也需要编写教材的老师仔细推敲和思考。

五、增强可编程逻辑器件原理以及应用介绍

许多大规模、超大规模及专用集成电路产品的问世，特别是高密度可编程逻辑器件的快速发展，使得现代数字控制系统几乎成为两片系统――微处理器+可编程逻辑器件。作为工科院校专业基础课程之一的《数字电子技术》，其大部分内容和实际应用显然存在较大差别，不适应现代电子技术发展和应用需要，改革教材内容迫在眉睫。教材中的经典内容比如，数字逻辑基础、集成逻辑门、存储器等需要保留，对小规模集成逻辑门的解剖有利于理解集成器件的外特性和性能指标，正确使用器件合理设计电路，也利于掌握同一数字逻辑系列大规模集成器件的使用方法；触发器、基于门或触发器的组合或时序电路的分析和设计、中规模器件电路、脉冲产生与整形等要进一步精简；扩充可编程逻辑器件应用，增强现代电子设计方法的介绍和实验训练非常必要，很多教材虽然增强了PLD内容，但教学并没跟上。本文在尽量不影响教学计划的前提下，对目前的教材内容提出几点建议，旨在逐步更新课程内容，适应现代电子技术飞速发展和应用的需要。期望和同行们共同探索出更好的教材和教学改革方案。

参考文献：

[1]宁改娣，杨拴科，王建校.数字电子技术课程教学改革探讨[C].中国电子教育学会会刊.2000.

[2]宁改娣，杨栓科.串行序列检测同步时序电路设计探讨[C].西安交通大学2003.8.全国高校电子经验交流会论文集。

课题项目：本课题为西安交通大学电气工程学院教学教改项目

作者简介：宁改娣（1964-），女，博士，研究生导师，陕西西安交通大学电气工程学院，长期从事电子技术、微处理器技术、电力电子技术应用教学与研究工作。