“組合邏輯電路的設(shè)計與實現(xiàn)”微課教學(xué)設(shè)計和反思

陳 丹 戴仁俊

（江蘇理工學(xué)院<計算機工程學(xué)院>，江蘇 常州 213001）

0 引言

數(shù)字邏輯與設(shè)計是計算機科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的專業(yè)主干課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生分析數(shù)字電路的邏輯功能、設(shè)計具有特定邏輯功能的具體線路及集成電路的典型應(yīng)用的能力，為學(xué)生今后學(xué)習(xí)相關(guān)計算機的硬件和接口知識打下良好的基礎(chǔ)。

1 微課教學(xué)概述

微課是互聯(lián)網(wǎng)時代的全新教學(xué)手段，通過教學(xué)視頻，全面體現(xiàn)教學(xué)設(shè)計、教學(xué)素材和教學(xué)反思。單個微課視頻約5～10分鐘，時間短、內(nèi)容精，能在有限的時間內(nèi)突出重要知識點，符合學(xué)生認知規(guī)律。單個微課視頻容量較低，微視頻配套輔助資源不超100 MB，學(xué)生可通過智能手機或ipad等移動設(shè)備，在任何時間、任何地點觀看，實現(xiàn)移動學(xué)習(xí)[1]。

“組合邏輯電路設(shè)計與實現(xiàn)”微課屬于數(shù)字邏輯與設(shè)計課程中第四章組合邏輯電路的核心內(nèi)容，具有交叉性、實踐性和承上啟下的特點，其前導(dǎo)知識點包括邏輯代數(shù)及邏輯函數(shù)的化簡、集成門電路、組合邏輯電路分析等，后續(xù)知識點包括常用組合邏輯電路模塊等。

由于該知識點的重要性，在教學(xué)設(shè)計過程中利用實際生活中常見的實例，以情景導(dǎo)入、提出問題、分析問題（新知剖析）、解決問題（實驗驗證）、問題拓展等環(huán)節(jié)展開教學(xué)，教學(xué)中在將實際案例、課程知識和操作實踐三者結(jié)合起來，進一步深刻加深學(xué)生對組合邏輯電路設(shè)計這個知識點的理解和掌握。

2 “組合邏輯電路的設(shè)計與實現(xiàn)”教學(xué)目標和方法

組合邏輯電路的設(shè)計與實現(xiàn)教學(xué)目標主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）掌握組合邏輯電路的設(shè)計步驟；（2）鞏固真值表、卡諾圖化簡、德摩根定律、門電路等知識；（3）熟悉組合邏輯電路的仿真方法；（4）熟悉組合邏輯電路的實驗方法；（5）培養(yǎng)分析和解決實際邏輯問題的能力。

本微課采用情景導(dǎo)入→提出問題→分析問題（新知剖析）→解決問題（實驗驗證）→拓展問題的問題求解教學(xué)方法，將知識傳授融入到實際案例問題的求解過程中。通過日常生活中常見的實例引入本次微課的內(nèi)容，用這個案例問題驅(qū)動學(xué)生思考和學(xué)習(xí)，在對問題進行分析的過程中，引入組合邏輯電路的設(shè)計思路，并通過不斷提問解疑的過程一步一步解決問題，過程中理論結(jié)合實踐，用仿真和實驗的手段體現(xiàn)了教學(xué)實驗一體的教學(xué)方法。

3 教學(xué)過程設(shè)計

本微課的教學(xué)過程設(shè)計包括以下五個部分：情景導(dǎo)入、提出問題、分析問題（新知剖析）、解決問題（實驗驗證）、拓展問題。具體如下。

3.1 情景導(dǎo)入

通過觀看一段電視選秀視頻情景導(dǎo)入，如圖1所示，提出在日常生活中一些場合運用某些控制電路來決定事件的結(jié)果，引起學(xué)生興趣，有了對具體邏輯問題的邏輯關(guān)系的初步認識。例如：設(shè)計三人表決電路（A、B、C）。每人一個按鍵，如果同意則按下，不同意則不按。結(jié)果用指示燈表示，多數(shù)人同意時指示燈亮，否則不亮。試采用合適的門電路實現(xiàn)。

3.2 提出問題

根據(jù)電視選秀視頻情景提出如何設(shè)計實現(xiàn)一個“少數(shù)服從多數(shù)”的三人表決電路。給出實際邏輯問題。首先指明邏輯符號“0”“1”取值含義。輸入：三個按鍵A、B、C，按下時為“1”，不按時為“0”。輸出：評判結(jié)果L，多數(shù)同意時為“1”，否則為“0”。

3.3 分析問題（新知剖析）

分析“三人表決電路”的實際邏輯問題，對邏輯變量進行賦值；（1）根據(jù)邏輯關(guān)系，寫出真值表；（2）由真值表自然寫出邏輯函數(shù)表達式，用工程上設(shè)計要求“三少”引導(dǎo)學(xué)生對函數(shù)表達式進行化簡；（3）利用卡諾圖進行化簡后得出此最簡表達式，利用德摩根定理變換表達式，得出第二種的表達式，提出問題，例題要求用合適的門電路實現(xiàn)，哪種電路更合適呢？讓學(xué)生思考并得出用哪種更合適；（4）選擇更合適的電路后就可以畫出其邏輯電路圖；（5）總結(jié)組合邏輯設(shè)計的步驟，并闡述這五個步驟。

3.4 解決問題（實驗驗證）

利用提出問題“所設(shè)計的電路能否正常工作？”，指出工程中常用仿真軟件來仿真設(shè)計好的電路，并利用仿真驗證了所設(shè)計的電路的正確性。如圖1仿真演示圖，用波形圖反映邏輯關(guān)系。

圖1 仿真演示

采用實際的與非門芯片在實驗箱上實驗演示了整個電路的邏輯關(guān)系，實現(xiàn)了例題中的三人表決電路。如圖2實驗現(xiàn)象演示，靜態(tài)邏輯輸出和輸入，是用來模仿傳統(tǒng)實驗箱的按鍵和數(shù)碼管、LED燈，慢速時可以人眼觀察。

圖2 實驗現(xiàn)象演示

設(shè)計、仿真、實驗全部完成后，真正解決了實際邏輯問題。完成知識提升，對課堂學(xué)習(xí)進行小結(jié)：首先掌握組合邏輯電路設(shè)計的五個步驟；其次熟悉組合邏輯電路仿真和實驗的方法；最后，提出要求學(xué)生熟練掌握以上方法，可以舉一反三設(shè)計出其他功能的組合邏輯電路。

3.5 拓展問題

結(jié)合本次課學(xué)習(xí)的知識，進一步鞏固所學(xué)新知識，提出要求設(shè)計另一個日常生活中常見的控制電路的任務(wù)，并給出三點要求提示學(xué)生。

4 教學(xué)反思

本微課采用情景導(dǎo)入→提出問題→分析問題（新知剖析）→解決問題（實驗驗證）→拓展問題的問題求解教學(xué)方法，將知識傳授融入到實際案例問題的求解過程中。將實際應(yīng)用問題簡單化、設(shè)計步驟具體化、工程設(shè)計要求落實化，內(nèi)容充實，重點突出、視頻生動，突破傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)，以問題求解方式將新授知識和實際問題相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生復(fù)合能力；運用多種媒體，形象化表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容；與課堂不同，微課教學(xué)更加注重引導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)解決問題的能力[2-4]。因此，通過以上教學(xué)方法和教學(xué)手段，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考、解決問題的能力，同時也提高了學(xué)生工程設(shè)計和應(yīng)用的能力。

根據(jù)工程教育專業(yè)認證的人才培養(yǎng)規(guī)格，計算機學(xué)科特點決定了培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力是主線，將理論教學(xué)貫穿于實踐操作能力培養(yǎng)過程中[5]，課內(nèi)課外緊密結(jié)合，全面提高學(xué)生的數(shù)字邏輯與設(shè)計能力：（1）教學(xué)資源的創(chuàng)新。教師通過微課資源，將工程教育專業(yè)認證標準融入教學(xué)，對教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度進行合理延伸和豐富，將理論知識點拓展成學(xué)生“實際、實用、實踐”的知識點，并融入學(xué)生感興趣的知識點，啟發(fā)學(xué)生思維，使專業(yè)技能和崗位需求更加匹配[6]。（2）教學(xué)模式的創(chuàng)新。開展翻轉(zhuǎn)課堂，實現(xiàn)知識輸入在課外、內(nèi)化運用在課內(nèi)的高效率教與學(xué)，即線上學(xué)習(xí)與面授課程相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，改變以教師為中心的先輸入再輸出的學(xué)習(xí)順序，嘗試先完成輸出任務(wù)，待發(fā)現(xiàn)不足后再進行有針對的輸入學(xué)習(xí)。

通過課題研究，以實用為主、以應(yīng)用為目的，深入研究數(shù)字邏輯與設(shè)計課程教學(xué)改革，在課堂外學(xué)習(xí)、在課堂中實踐、在行業(yè)企業(yè)中檢驗。依托超星數(shù)字資源平臺建設(shè)微課資源，進一步提升教師的教學(xué)能力，助推課程資源開放共享，實現(xiàn)教學(xué)現(xiàn)代化。通過“微課+翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)改革，貼近行業(yè)發(fā)展，關(guān)注教學(xué)的交際性、實踐性、實用性，提高學(xué)生計算機應(yīng)用能力和職業(yè)能力。學(xué)生通過微課資源，線上線下同步學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)主動性增強，自學(xué)效率提高。教學(xué)管理部門和相關(guān)研究單位基于微課資源加快創(chuàng)新人才培養(yǎng)，共享教師資源，提升教師信息化水平，提高學(xué)生綜合素養(yǎng)。