邏輯門電路的設(shè)計與搭建

陳杰 李亞東

本課為蘇教版通用技術(shù)課程選修——電子控制技術(shù)“邏輯門電路”一節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)課主要以邏輯門電路搭建為主線，詳細(xì)介紹了與門、或門、非門的功能及在生活中的應(yīng)用，同時希望學(xué)生能夠根據(jù)具體需求，設(shè)計完成一些具備一定功能的邏輯門電路。

教學(xué)目標(biāo)

知識與技能：認(rèn)識并能夠區(qū)分?jǐn)?shù)字信號與模擬信號；認(rèn)識并掌握基本的門電路：與門、或門、非門；通過邏輯門電路的設(shè)計，實現(xiàn)一定的功能。

過程與方法：學(xué)生通過Boson Kit 套件設(shè)計，搭建具備一定功能的邏輯門電路；通過小組合作形式，完成具體任務(wù)。在制作過程中，學(xué)生通過設(shè)計、搭建、測試、展示等環(huán)節(jié)體會制作的樂趣。

情感、態(tài)度與價值觀：通過技術(shù)手段實現(xiàn)對生活中常見電路的改造與設(shè)計，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)技術(shù)、使用技術(shù)、熱愛技術(shù)的熱情。

教學(xué)重點、難點

數(shù)字量與模擬量的認(rèn)識與區(qū)分；邏輯門電路：與門、或門、非門；邏輯門電路的設(shè)計與搭建。利用Boson Kit搭建具有一定功能的邏輯門電路。

教學(xué)過程

1.新課導(dǎo)入

師：生活中我們常見的樓道聲控?zé)?、人體感應(yīng)門，它們其實都是一些電路，我們今天就要學(xué)習(xí)通過Boson Kit將其實現(xiàn)。在開始學(xué)習(xí)之前，我們先請同學(xué)們來看看：圖1中的兩個開關(guān)有區(qū)別嗎？

學(xué)生聽講，思考教師問題。

學(xué)生回答教師問題。開關(guān)1只有兩種狀態(tài)——開和關(guān)，開關(guān)2開的狀態(tài)是連續(xù)的，只是速度不一樣。

通過Boson Kit 接出兩種開關(guān)控制的電路，具體電路分別為一個按鈕開關(guān)（旋鈕）通過主控板控制LED（風(fēng)扇）。

師：同學(xué)們回答得很好。這就是我們下面要學(xué)習(xí)的數(shù)字量與模擬量。

設(shè)計意圖：教師通過日常生活中存在的實例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。并通過觀察兩種不同形式的開關(guān)，自然而然地引入數(shù)字量與模擬量的概念。

2.新課學(xué)習(xí)

師：通過剛才兩個電路的連接，同學(xué)們已經(jīng)感受到兩種不同的控制方式，一種是使用了按鈕開關(guān)；一種是使用了旋鈕開關(guān)。模擬量：一些事物的量值是連續(xù)變化的。數(shù)字量：一些事物的量值是非連續(xù)變化的。

學(xué)生通過剛才搭建的電路體會數(shù)字量與模擬量的區(qū)別。

教師簡單介紹Boson的系統(tǒng)用法。

設(shè)計意圖：通過之前的電路連接，學(xué)生對數(shù)字量和模擬量有了感性認(rèn)識，這時再給出數(shù)字量與模擬量的定義，水到渠成。

師：我們家里的樓道燈是通過什么方法讓它亮起來的？

生：聲音、觸摸……

師：方式有很多，但是大多都使用了傳感器，請同學(xué)們回顧我們之前學(xué)習(xí)過的內(nèi)容，什么是傳感器？

動手實踐：請同學(xué)們動手實踐，連接邏輯電路，給我們的房間設(shè)計一個小夜燈。

小夜燈邏輯關(guān)系：夜晚來臨，光線暗下來以后，小燈亮起；白天到來，光線亮起，小燈熄滅。

師：在這個電路中，我們應(yīng)該注意到的是使用什么模塊，可以實現(xiàn)小燈的亮滅。

學(xué)生利用相關(guān)模塊，連接小夜燈邏輯電路。

師：上述電路中，我們使用了NOT模塊，它們體現(xiàn)的就是使條件為真、結(jié)果為假，條件為假、結(jié)果為真的邏輯關(guān)系。

師：如果按上述邏輯電路，作為樓道中的照明燈，是否合適？如果不合適，如何改進？

學(xué)生回答。上述電路是使用光線作為感測開關(guān)，就會造成夜晚小夜燈一直亮著，這是一種資源的浪費。我們準(zhǔn)備在這個電路中再加上一路檢測聲音的開關(guān)。當(dāng)光線和聲音同時滿足條件時，小燈亮起，這樣實現(xiàn)樓道照明的同時，也滿足了節(jié)能的需求。

師：同學(xué)們分析得很好。下面就請各位同學(xué)動手實現(xiàn)上述電路。

學(xué)生動手實現(xiàn)上述邏輯電路。

師：在此電路中使用了與門，即“當(dāng)所需的條件同時滿足時結(jié)果才為真”的邏輯關(guān)系。

小挑戰(zhàn)：同學(xué)們還記得剛開始上課我們連接的那個按鈕控制LED的電路嗎？能否通過邏輯門電路設(shè)計實現(xiàn)按下按鈕燈一直亮的狀態(tài)？

學(xué)生設(shè)計并動手連接，實現(xiàn)邏輯電路。

師：在此電路中，我們使用了或門，即“當(dāng)所需的條件至少有一個滿足，結(jié)果就為真”的邏輯關(guān)系。

設(shè)計意圖：通過幾個具有實際意義的邏輯電路的設(shè)計與制作，引出與門、或門、非門的學(xué)習(xí)。讓學(xué)生在具體的情境中學(xué)習(xí)新的知識。

3.練習(xí)反饋

師：班級比賽中，決賽是兩名選手通過搶答的方式?jīng)Q出冠亞軍。以往比賽是雙方通過舉手來搶答。但是，雙方往往因為舉手太快而分不清先后，有沒有辦法解決這個問題呢？

要求：除了讓按下按鈕的人亮起對應(yīng)的燈以外，還要阻止另一個燈亮起。

學(xué)生思考、分析、設(shè)計電路。

師：小燈亮起需要同時滿足什么條件？

學(xué)生回答。對應(yīng)的按鈕按下，且另一個按鈕沒有按下。用“邏輯非”和“邏輯與”模塊將按鈕的狀態(tài)輸送到另一個按鈕即可。如果一個按鈕按下，另外一個按鈕即使按下，也無法輸出“真（成立）”的狀態(tài)了。

學(xué)生動手實踐完成搶答器功能設(shè)計。

師：同學(xué)們可以小組合作完成搶答器功能的設(shè)計與搭建。

設(shè)計意圖：通過一個競賽任務(wù)的布置，檢測學(xué)生對學(xué)習(xí)過的邏輯門能否靈活運用。

知識梳理

師：本課中我們學(xué)習(xí)了以下內(nèi)容——認(rèn)識并能夠區(qū)分?jǐn)?shù)字信號與模擬信號；認(rèn)識并掌握基本的門電路——與門、或門、非門；通過邏輯門電路的設(shè)計，實現(xiàn)一定功能。

教學(xué)反思

本課是我校省級課題“Arduino與通用技術(shù)”（課題編號：JG14218）中的研究內(nèi)容。本課教學(xué)中，我們引入了Boson Kit套件，學(xué)生設(shè)計的邏輯電路不再是簡單地停留在紙張上，而是通過這些電子邏輯模塊真實地實現(xiàn)了。

在本課教學(xué)中，以現(xiàn)實生活中應(yīng)用的邏輯電路為例，引入教學(xué)，結(jié)合案例展開項目式教學(xué)，層層推進，通過“剝洋蔥皮”方式展開教學(xué)。應(yīng)該說，本課教學(xué)中學(xué)生的參與度很高，都能夠積極思考完成電路的搭建。雖然在搭建中可能遇到些困難，但是都可以通過組內(nèi)合作、組間交流的方式尋求解決問題的方案。更難能可貴的是，學(xué)生在搭建電路中展現(xiàn)出自己的創(chuàng)造力，有些電路的搭建方案是我在課前備課中沒有想到的?？梢哉f，在本課中學(xué)生的創(chuàng)造力完全被釋放開了，他們都想通過自己的方式來實現(xiàn)邏輯電路的功能。

存在的問題：本課教學(xué)中由于使用了Boson Kit的套件，有些學(xué)生在上手使用時，還是存在些問題。特別是在輸入模擬量時，學(xué)生對于模擬量值的調(diào)整不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致實驗效果不太理想。

作者單位：安徽淮南一中 安徽阜陽一中