“簡單的邏輯電路”教學(xué)的思考和建議

徐益勇

(溫州市第五十一中學(xué) 浙江 溫州 325014)

“簡單的邏輯電路”是人教版高中《物理·選修3-1》第二章第11節(jié)的內(nèi)容，講述了數(shù)字電路中最基本最簡單的3種邏輯電路(門電路)，雖然課程標(biāo)準(zhǔn)對本節(jié)要求較低，但是以數(shù)字信號為特征的現(xiàn)代信息技術(shù)正在迅猛發(fā)展.本節(jié)內(nèi)容接軌數(shù)字化現(xiàn)代生活，也充分體現(xiàn)物理課程“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念. 本文就本節(jié)內(nèi)容結(jié)合筆者的理解，提出有幾點(diǎn)思考和建議以及具體課堂實(shí)踐.

1 本課新課引入的思考

本節(jié)課常常用多媒體PPT 播放數(shù)碼相機(jī)、條形碼、遙控器或數(shù)字電視機(jī)等圖片.教師介紹模擬信號和數(shù)字信號，然后引入新課.這樣平淡無奇、無矛盾沖突的引課，而且數(shù)字信號和模擬信號學(xué)生又比較陌生，是很難吸引學(xué)生注意和激起學(xué)生興趣的.如果本節(jié)新課引入，即簡短又能夠激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，引起學(xué)生積極思維，對于核心素養(yǎng)培養(yǎng)至關(guān)重要.

建議1：創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境激發(fā)認(rèn)知沖突

本課缺少相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)，筆者采用一種聲光控組件，主要由聲控輸入模塊、光控輸入模塊、延時(shí)電路模塊、指示燈輸出模塊、電源模塊、“與”門邏輯模塊組成，其電路原理圖及實(shí)物圖如圖1所示.當(dāng)黑暗狀態(tài)下，光敏電阻Rg阻值很大，A點(diǎn)處電壓較高(被“與”門邏輯認(rèn)為是信號1).當(dāng)有聲音時(shí)，通過駐極體話筒MC采集聲音的振動信號，通過阻容耦合放大電路(由電阻和電容組成)和三極管進(jìn)行放大，使B點(diǎn)處為高電平(被“與”門邏輯認(rèn)為是信號1).只有當(dāng)A與B輸入都是信號1，“與”門邏輯電路輸出Y才是高電平，發(fā)光二極管才會亮.上課實(shí)錄如下.

圖1 簡單的邏輯電路引課實(shí)驗(yàn)

師：今天老師帶來一個(gè)神奇的東西，看起來線路很復(fù)雜，我一喊它亮，它就亮.(大喊的同時(shí)，用手按住光敏電阻)

師：你來喊喊看.(遞給學(xué)生,學(xué)生無法使二極管發(fā)亮)

師：為什么你喊它亮，它不亮，我一喊它亮，它就亮呢？學(xué)了今天的內(nèi)容，我們就知道了.今天我們學(xué)習(xí)簡單的邏輯電路.

2 本課教學(xué)過程的思考

2.1 穩(wěn)恒電路類比邏輯電路進(jìn)行教學(xué)造成認(rèn)知錯(cuò)覺

對于本節(jié)的教學(xué)，習(xí)慣采用類比法，先總結(jié)穩(wěn)恒電路中開關(guān)閉合和斷開的不同情況與燈亮的關(guān)系,再進(jìn)行邏輯電路的教學(xué).然而邏輯電路的電路形式不同于穩(wěn)恒電路的電路形式，它強(qiáng)調(diào)的是邏輯運(yùn)算，不是電流與電壓的關(guān)系，不再強(qiáng)調(diào)閉合回路的形式.它們是在不同的環(huán)境下完成不同的功能，它們之間沒有共性.如果用穩(wěn)恒電路的工作情況類比門電路，會給學(xué)生造成一種認(rèn)知錯(cuò)覺，使學(xué)生把穩(wěn)恒電路與邏輯電路某些方面等同起來.

2.2 開關(guān)通斷代替真值“1”和“0”誤解真值含義

以穩(wěn)恒電路進(jìn)行教學(xué)時(shí)，一般會定義開關(guān)的接通為1，定義開關(guān)的斷開為0，燈泡的亮為1，燈泡的暗為0，從而學(xué)生誤解了邏輯電路中真值的含義.在邏輯電路中不能以開關(guān)的通斷來定義真值1和0，邏輯電路主要是對輸入端的電平(電勢)高低作出反應(yīng)，所以對于輸入端只有兩種狀態(tài)：高電平與低電平，輸出端也是兩種狀態(tài)：信號的有無或者電平的高低，一般定義高電平為“1”，低電平為“0”.因此，課堂教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)交代清楚邏輯電路真值的含義，并指導(dǎo)學(xué)生按照二進(jìn)制順序填寫真值表，從而找出邏輯電路的邏輯功能.

2.3 課程內(nèi)容要求不高忽視實(shí)驗(yàn)實(shí)踐

雖然課程標(biāo)準(zhǔn)對本節(jié)要求較低，不是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)，教師往往不重視本節(jié)內(nèi)容而會急于講解和分析，但是以數(shù)字信號為特征的現(xiàn)代信息技術(shù)正在迅猛發(fā)展，本節(jié)內(nèi)容接軌數(shù)字化現(xiàn)代生活，而且學(xué)生第一次接觸到邏輯電路,又缺乏相應(yīng)配套的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，會造成學(xué)生的不適應(yīng)和不理解.本節(jié)內(nèi)容的目標(biāo)只是對于簡單的邏輯電路有簡單了解，教師應(yīng)做好演示實(shí)驗(yàn)，通過演示實(shí)驗(yàn)揭開邏輯電路的神秘面紗，組織學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，體會邏輯電路在日常生活中的應(yīng)用，再做簡單的分析和講解.

建議2：學(xué)生列舉生活實(shí)例，體會邏輯關(guān)系

在課堂教學(xué)時(shí)，可以采用設(shè)計(jì)穩(wěn)恒電路引出邏輯關(guān)系，通過學(xué)生舉例生活實(shí)例體會邏輯關(guān)系.不要從穩(wěn)恒電路入手，定義開關(guān)的通斷為真值1和0.上課實(shí)錄如下.

師：所謂邏輯電路，是指具有相應(yīng)邏輯關(guān)系的電路.下面我請大家設(shè)計(jì)一個(gè)電路，有2個(gè)開關(guān)、1個(gè)燈泡、1節(jié)電池、若干導(dǎo)線，要求滿足2個(gè)開關(guān)都閉合，燈才會亮，等一下我請一個(gè)同學(xué)展示你設(shè)計(jì)的電路圖.

師：這個(gè)開關(guān)與這個(gè)開關(guān)閉合是條件，燈亮是結(jié)果.我們把這種一個(gè)事件的幾個(gè)條件都滿足后，該事件才能發(fā)生的關(guān)系叫“與”邏輯關(guān)系.

師：其實(shí)生活中有很多事例能體現(xiàn)“與”邏輯關(guān)系.那在你的日常生活中有哪些事例可以體現(xiàn)“與”邏輯關(guān)系呢？(學(xué)生舉例)

師：那有沒有什么事情，只要一個(gè)條件滿足就會發(fā)生的.我請同學(xué)舉例子看看.

建議3：演示與學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)合，激活學(xué)生思維火花

本節(jié)內(nèi)容可以采用門電路演示器，如圖2所示，學(xué)生通過生活實(shí)例體會邏輯關(guān)系后，再用門電路演示器，對3種不同的簡單邏輯電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，直觀不同邏輯電路的邏輯功能，在教學(xué)過程中，教師交代清楚真值的含義和真值表的填寫順序.對于簡單的邏輯電路有一定的了解之后，可以安排學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)“視力保護(hù)提醒器”，讓學(xué)生經(jīng)歷邏輯電路在實(shí)際生活中的應(yīng)用，體現(xiàn)物理課程“從生活走進(jìn)物理，從物理走向社會”的理念.

圖2 門電路演示器

演示實(shí)驗(yàn)部分：

教師演示將“與”門元件放入演示器相應(yīng)位置，讓學(xué)生判斷元件輸入端的電勢高低.并通過學(xué)生分析兩個(gè)輸入端不同輸入情況組合，通過用電器工作情況獲知輸出端電勢的高低.

師：我們采用二進(jìn)制1和0表示，把高電勢用1表示，低電勢用0表示.

師：我們把數(shù)字1和0叫做這個(gè)邏輯電路的真值.在這里它表示高電勢與低電勢，在其他情況下，它也可以表示真與假，或者有與無等一些對立的狀態(tài).我們把真值組成的表格叫真值表，真值表是包含各種可能性在內(nèi)的邏輯關(guān)系表，它有兩部分，一部分是所有輸入的可能組合，另一部分是相應(yīng)的輸出.從這個(gè)真值表上可以看出什么時(shí)候輸出才是高電勢？(“或”門 和“非”門元件讓學(xué)生代表來演示)

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)部分：

師：現(xiàn)在有這樣一組套件如圖3所示，它有過暗報(bào)警模塊、過亮報(bào)警模塊.RW1和RW2是可調(diào)的電位器，通過調(diào)節(jié)可以改變阻值，達(dá)到報(bào)警臨界點(diǎn).R1和R2是固定電阻，這里是光敏電阻Rg1和Rg2，還有“或”門邏輯電路以及信號處理報(bào)警輸出模塊和電源部分.請同學(xué)們正確用導(dǎo)線連接.并通過調(diào)試，在正常光照下不會報(bào)警，用手按住光敏電阻模擬過暗環(huán)境，用手電筒照射光敏電阻模擬過亮環(huán)境.(學(xué)生實(shí)驗(yàn))

圖3 視力保護(hù)提醒器實(shí)驗(yàn)

師：請同學(xué)們思考一個(gè)問題，為什么過亮或者過暗會報(bào)警呢？(學(xué)生根據(jù)電路圖思考并在教師指導(dǎo)下回答)

本課雖然并非考試要求內(nèi)容，但是本節(jié)內(nèi)容體現(xiàn)了物理與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系，如果采用本文的思考和建議，學(xué)生對“門電路”也就一定有了簡單而又準(zhǔn)確的了解.實(shí)驗(yàn)又是物理教學(xué)的基礎(chǔ),簡短的引入創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，并通過演示和組織學(xué)生設(shè)計(jì)并安裝簡單的邏輯電路,激活學(xué)生思維火花，才能真正達(dá)到核心素養(yǎng)的培養(yǎng).