案例教学在数字电路教学改革中的应用研究

　1 目前数字电路教学中存在的问题
《数字电路》是一门理论性和实践性都很强的工程技术模块专业基础课程，教学过程中涉及到的器件种类较多，知识更新速度快。教学重点是以数字电路基本知识为基础、电学实验基本技能为桥梁、综合创新为目的,培养学生分析问题、解决问题的能力。
在目前的《数字电路》教学中，往往采用“先器件后电路、先分立后集成、先分析后设计、先理论后实验”的教学模式，学员往往“只见树木，不见森林”，缺乏对数字电路课程体系的整体认知；另外，教材上例题往往与学员未来任职岗位脱节；实验内容大多是基础性、验证性实验，实验内容千篇一律，与未来的岗位的个性化需求脱节。学员只是被动的倾听者、接受者，导致学习主动性较差。显然，目前的教学方法已经不适应学员的逻辑思维能力和创新能力培养的需求。
2 数字电路案例式教学的基本情况
案例教学是以教师为主导、以学生为主体的教学方式。为贯彻“以学员为中心、教员为主导、兴趣为主线”的教学理念，对数字电路若干重点内容进行“任务驱动教学案例设计”，把教学任务设计成一个或多个与实际相关联的案例。教学过程就是案例深入及任务实现的过程，既包含理论知识研讨，又进行同步的实验仿真。
3 数字电路案例教学法案例选题的确定
案例教学选题的选题要具有代表性，一是要通过选择与学员未来岗位任职息息相关的具体案例,启发学员思考相关问题。二是案例教学应保持生动性，以活泼的事例启发和教育学员，变枯燥的教学为鲜活的案例解决过程。过去常规的案例选题包括简易电子琴、数字钟、秒表、彩灯控制器、篮球竞赛定时器、交通灯控制器、数字频率计、函数发生器、数字电压表、出租车计费器、四路抢答器、直流电机控制器等课题。但是，这些课题是日常生活中的孤立的课题，“军味”不足，而且实验课题没有和理论教学过程中的知识点体系相融合。
为提升学员兴趣，笔者所在的教学小组重新整合设计了几个与学员生活及岗位任职息息相关的案例：航母火灾电路与组合逻辑电路设计、血型检测电路与编码器、战术数据链与数据选择器、莫尔斯电码与序列信号发生器、蛙人水下救生系统与计数器、水雷起爆电路与单稳态触发器、“海洋、海权、海军”知识竞赛中隐含的数字电路问题（综合研讨任务）等。
4 舰艇火灾报警电路的案例设计
引例：2008年5月20日，美国“华盛顿”号在航行途中发生大火，损失惨重。舰上120000多米电缆受到损伤或毁坏，约80个舱室被损坏；多名舰员受伤；此次火灾导致原计划2008年８月代替要退役的常规动力航母“小鹰”号，不得不推迟部署时间。后来，据美国海军调查，此次事故的主要原因是航母舰员乱扔烟头，引发油火导致电气设备短路造成。
根据这个真实案例设计“组合逻辑电路设计”这个知识点的教学任务：设计一个火灾报警系统，该系统由烟感、温感和紫外光感三种不同类型的火灾探测器组成。为防止误报警，当有其中两种或两种类型以上的探测器发出火灾探测信号时，报警系统才产生报警控制信号，试用用分立元件、74138译码器、74151数据选择器等三种不同的方法设计电路。本案例从知识点的角度看，与常用的“三人表决裁判电路”相同，但是案例的深度和广度有一定的延伸。
设计这个任务的目的是让学员掌握分立元件设计和用中小规模的集成芯片设计的区别，译码器设计和数据选择器设计的异同，并在此基础上思考现代电子技术设计的趋势。
在课堂教学中，如何实施任务驱动教学呢？课前将学生分成三组，布置预习的主要任务，要求学员完成组内分工并准备好课件进行课堂展示。
4.1用与非门设计
设计目的是使学员巩固由分立元件设计组合逻辑电路的方法。即首先进行逻辑抽象，然后设定电路的输入输出，列写真值表，写出表达式，最后搭建电路。
课堂讨论：由学员进行分组自主设计，第一组不经过化简直接搭建电路；第二组通过公式法化简；第三组用卡诺图法化简。三组同学讨论化简的意义和注意事项。
知识扩展：由教员展示基于EDA的现代设计方法与传统设计方法的区别。启动MULTISIM，打开逻辑转换仪面板，在真值表区点击A、B、C三个逻辑变量，建立与前三组同学一样的三变量真值表。点击逻辑转换仪面板上“真值表→简化逻辑表达式”按钮，点击逻辑转换仪面板上“表达式→逻辑电路”按钮，得到用与非门组成的逻辑电路。通过传统设计方法与现代设计方法的比对，引导学员使用现代电子技术设计手段，往往事半功倍。启发学员要广泛涉猎书本外的电子技术知识，跟上信息化战争的步伐。
4.2用译码器或数据选择设计实现
设计目的是使学员进一步巩固小规模集成电路设计组合逻辑电路的方法；使学员区分如何根据不同器件的功能表设计符合要求的逻辑电路。
课堂讨论：将学员分成两组，分别用74138和74151进行设计，然后由学员总结各自的设计要点，并讨论两种器件功能的区别。然后分别在MULTISIM中对学员刚刚搭建的电路进行演示。
5 舰艇火灾报警电路的改进
5.1报警信号的记忆问题
由于三个传感器发出的信号不能自行保持,并且报警信号有先后、长短之别,所以说刚才的组合逻辑电路是存在着缺陷的,应该如何来解决这个问题呢?引导学员利用一个具有记忆功能的元器件能够把每个传感器的报警信号储存下来,自然引入新的知识点。在讲解时序逻辑电路单元的触发器的相关知识后，利用触发器记忆功能和反馈逻辑控制的概念就能够实现具有基本功能的报警电路，由此加深学员对组合电路和时序电路的区别的理解。
5.2报警信号的时长问题
一旦发出报警信号，就需要设定报警次数及每次报警信号的时间长度。因此，进一步引导学员讨论设计一个电路，当启动报警信号后，自动引发特定次数和时长的声光报警。这个问题，可可以结合计数器以及单稳态触发器等后续知识来实现。
随着课程的深入，计数器、信号发生器等知识不断扩充，项目功能的完整性和实用性要求也不断提高，从而使学员在多层次目标的完善过程中，建立起了知识架构，为将来的创新设计打下坚实的理论基础。
5.3基于单片机的报警显示系统
前面设计的是单个观测点的报警问题，一艘舰艇上往往有很多舱室，都需要安装火灾报警器，如何轮询检查各个舱室的情况呢？如何将报警信号远程无线传输到指控部门呢？涉及到无线通信等知识点时，通信等相关专业的学员会比较感兴趣。引导学员分析完整的火灾报警设备的模块组成，传感器将测量到的火灾信号转化成电信号，发送给报警控制器，经报警控制器分析处理后，立即发出声光报警信号，远程启动消防设施。这些知识可以结合电子技术课程设计来进行，从而进一步提升学员的实践能力和创新能力。
6 结论
对于数字电路这类实践性和应用性较强的课程,以案例扩展为中心的教学,可能会涉及到多个知识点，有的可能包含了几个章节的内容，这就需要学生整体把握案例所涉及的理论知识，将多个知识点串起来，以便正确理解案例，并分析和解决问题，进而使学生对知识的掌握更加条理化和系统化。
由于需要不断提出新的任务，学员时刻面临新的挑战，让学员从直接感知、项目制作、任务归纳中学习知识;反过来再将所学知识转化成实践能力,进而升华成为创新素养。通过近２个学年的教学实践，从教学效果看，学员的学习积极性大大提高，并在知识点的理解、知识结构的掌握、扩大视野、工程实践能力以及团队交流能力等方面都得到明显提高。