新工科認(rèn)證背景下的數(shù)字電路教學(xué)*

朱 旋，李 崢

(淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，235000,安徽省淮北市)

0 引 言

啟發(fā)式教學(xué)應(yīng)用于生物教學(xué)中，可以提高我們對(duì)世界與自然的認(rèn)識(shí)，還可讓我們對(duì)生物的學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的興趣[1].針對(duì)研究生教育中存在啟發(fā)性不足、學(xué)員自主創(chuàng)新環(huán)節(jié)偏少等問(wèn)題，對(duì)“高等光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程中的“光纖傳感器”模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方式的改進(jìn)，使得該課程的教學(xué)過(guò)程更為豐富多彩，充分激發(fā)學(xué)員動(dòng)手的熱情和開拓創(chuàng)新精神[2].啟發(fā)式教學(xué)能夠較好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉其創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提升[3].

文獻(xiàn)[4] 提出翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)與探究性學(xué)習(xí)相結(jié)合的授課方式對(duì)教師的要求，通過(guò)改變工科課堂的學(xué)習(xí)環(huán)境，最終促使學(xué)生對(duì)概念知識(shí)的掌握，為學(xué)生成為工程師打下基礎(chǔ).文獻(xiàn)[5]以學(xué)員為導(dǎo)向，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面對(duì)該課程的課堂教學(xué)模式改革進(jìn)行系統(tǒng)論述和探討.在傳統(tǒng)教學(xué)模式基礎(chǔ)上，重視和加強(qiáng)現(xiàn)代化教育技術(shù)手段和教學(xué)方法的引入，將有助于激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)分析數(shù)字電路問(wèn)題的思路、培養(yǎng)學(xué)員的實(shí)踐意識(shí)及分析和解決工程問(wèn)題 基本素質(zhì)和能力.文獻(xiàn)[6]從啟發(fā)式教學(xué)對(duì)技術(shù)背景介紹入手，圍繞“提出問(wèn)題”“啟發(fā)思考”“二分解答”及“對(duì)比分析”4個(gè)方面，展開遞進(jìn)式的敘述.具體圍繞若干知道點(diǎn)，結(jié)合質(zhì)疑及設(shè)問(wèn)策略，將“數(shù)字電路”若干技術(shù)問(wèn)題的探討與對(duì)話情景一步步展開.該方式在該校取得很好的效果.文獻(xiàn)[7]從教學(xué)模式的改革、實(shí)驗(yàn)開展方式的擴(kuò)充、成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方法的調(diào)整等3方面，實(shí)現(xiàn)以教師問(wèn)中心向以學(xué)生為中心、從知識(shí)單向傳播為主向教學(xué)雙向互動(dòng)交流為主、從被動(dòng)接受向主動(dòng)探索的轉(zhuǎn)變，提升了課程教學(xué)質(zhì)量.該校在實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目、大學(xué)生電子大賽及省級(jí)論文專利方面都取得了顯著的進(jìn)步.文獻(xiàn)[8]從數(shù)字電路教學(xué)中，不斷提出新任務(wù)，學(xué)員時(shí)刻面臨新挑戰(zhàn)，讓學(xué)員直接感知、項(xiàng)目制作、任務(wù)歸納中學(xué)習(xí)知識(shí)；反過(guò)來(lái)再將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化成實(shí)踐能力，進(jìn)而升華為創(chuàng)新素養(yǎng).該校從2年的教學(xué)效果看，學(xué)員的積極性大大提高，在知識(shí)點(diǎn)的理解、知識(shí)結(jié)構(gòu)的掌握、擴(kuò)大視野、工程實(shí)踐能力等方面均有明顯提高.

基于數(shù)字電路教學(xué)的實(shí)際情況，傳統(tǒng)的教學(xué)方式務(wù)必改革.本文首先闡述“啟發(fā)式+探索式”教學(xué)模式的核心思想，隨后通過(guò)實(shí)際教學(xué)案例進(jìn)行實(shí)施和剖析，繼而根據(jù)日常教學(xué)實(shí)踐總結(jié)出“啟發(fā)式+探索式”教學(xué)模式的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.最后，有前述內(nèi)容對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)和歸納.

1 啟發(fā)式+探索式教學(xué)模式概述

“啟發(fā)式+探索式”教學(xué)關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)“設(shè)問(wèn)”，即構(gòu)造一種問(wèn)題探索的對(duì)話情景，巧妙設(shè)疑設(shè)懸讓學(xué)生們立刻大腦里建立問(wèn)題的模型，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情和思維.基于“數(shù)字電路”的實(shí)際教學(xué)情況，并依據(jù)采用此方法近幾年所帶學(xué)生的情況，該方式主要包括以下4個(gè)環(huán)節(jié)：“提出問(wèn)題”“引發(fā)思考”“點(diǎn)撥解決問(wèn)題”以及“延伸思考”，用框圖形式如圖1所示.

圖1 啟發(fā)式+探索式教學(xué)內(nèi)容框圖

圖1中，遇到比較難理解的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，先提出問(wèn)題，把學(xué)生的思維調(diào)動(dòng)起來(lái)，使學(xué)生積極參與該問(wèn)題的思考，這也是啟發(fā)式+探索式教學(xué)模式的關(guān)鍵所在.具體實(shí)施時(shí)，如何設(shè)定問(wèn)題以及和采用何種啟發(fā)方式都至關(guān)重要，本文采用“提出問(wèn)題”“引發(fā)思考”“點(diǎn)撥解決問(wèn)題”以及“延伸思考”順序漸進(jìn)模式，讓學(xué)生積極參與問(wèn)題思考，師生一起解決問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)更深問(wèn)題的思索.

在日常的教學(xué)中，課堂上老師不斷提出問(wèn)題，激發(fā)同學(xué)思考，請(qǐng)同學(xué)們討論，然后老師在循循善誘的講解中給出答案，該問(wèn)題學(xué)生水到渠成的理解和領(lǐng)悟后，老師可以再拋出更深的問(wèn)題，讓學(xué)生更積極去探索和尋覓.這樣一個(gè)循環(huán)下來(lái)，學(xué)生積極主動(dòng)去思考，在老師帶動(dòng)下解決了問(wèn)題，而又去主動(dòng)思考更深的問(wèn)題，這種逐次遞進(jìn)的方式，使學(xué)生學(xué)習(xí)熱情提高，主動(dòng)思考和獲取知識(shí)的能力提高.

本文采用的啟發(fā)式+探索式教學(xué)模式，在“數(shù)字電路”課程教學(xué)中的各個(gè)階段均有體現(xiàn)，下面逐一解析.

2 啟發(fā)式+探索式教學(xué)模式解析

2.1 “提出問(wèn)題”

“提出問(wèn)題”是該教學(xué)第一步，同時(shí)也是極其重要的一步.“數(shù)字電路”課程中概念和定律眾多，通過(guò)對(duì)一個(gè)學(xué)生沒學(xué)過(guò)沒接觸過(guò)的問(wèn)題設(shè)問(wèn)，通過(guò)“提出問(wèn)題”引出新概念，讓學(xué)生的注意力立即集中起來(lái)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性.

通過(guò)舉例引出所講部分內(nèi)容，讓學(xué)生思考該概念的背景，從而明確該概念在數(shù)字電路系統(tǒng)中的地位.比如講解邊脈沖觸發(fā)器之前，可以向?qū)W生發(fā)問(wèn)，已學(xué)過(guò)的電平觸發(fā)器存在“空翻”的弊病.有沒有一種觸發(fā)器，每個(gè)時(shí)鐘周期里輸出狀態(tài)只能改變一次？據(jù)已學(xué)過(guò)的電路能否改造呢？帶著問(wèn)題，給學(xué)生幾分鐘思考時(shí)間，同時(shí)點(diǎn)撥一下根據(jù)電平觸發(fā)器的特點(diǎn)，若將兩同樣的電平觸發(fā)器串聯(lián)，共用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，會(huì)有什么結(jié)果呢？至此，水到渠成的引入了由SR電平觸發(fā)器構(gòu)成的脈沖觸發(fā)器，給出該設(shè)計(jì)過(guò)程，分析工作原理，再鼓勵(lì)學(xué)生繼續(xù)思考，有沒有觸發(fā)器的輸出狀態(tài)只取決于時(shí)鐘信號(hào)作用時(shí)輸入端的狀態(tài)呢？電路又如何改造呢？

2.2 “引發(fā)思考”

上一節(jié)針對(duì)所學(xué)內(nèi)容巧妙提出問(wèn)題，接著引導(dǎo)學(xué)生交替思考是非常關(guān)鍵的.在具體教學(xué)實(shí)踐過(guò)程時(shí)，“引發(fā)思考”往往伴隨著“交替思考”和“遞進(jìn)思考”，對(duì)所提問(wèn)題一步步引導(dǎo)和分析.例如，在講到七段字符顯示器時(shí)，可以問(wèn)大家每天在哪些地方見到這種顯示器呢？接著再問(wèn)那為何能顯示0-9呢？讓學(xué)生好好思考.

2.3 “點(diǎn)撥解決問(wèn)題”

要想對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)點(diǎn)撥，教師課前要作充分備課，把課堂上所有出現(xiàn)的問(wèn)題都考慮到.講到置數(shù)法構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器方法時(shí)，在“提出問(wèn)題”及“引發(fā)思考”之后，可以點(diǎn)撥只要預(yù)置數(shù)到產(chǎn)生預(yù)置數(shù)信號(hào)滿足所計(jì)數(shù)長(zhǎng)度即可，方法有很多種的，預(yù)置數(shù)是零計(jì)到哪里產(chǎn)生預(yù)置數(shù)信號(hào)？若用進(jìn)位作為預(yù)置信號(hào)，哪預(yù)置數(shù)又是多少？讓學(xué)生展開充分想象，同時(shí)，教師在黑板上提前準(zhǔn)備的幾種參考答案寫出來(lái).

該步驟，在給學(xué)生啟發(fā)的基礎(chǔ)上，留給學(xué)生充分思考空間，學(xué)生可以靈活學(xué)習(xí)到知識(shí)，能夠舉一反三.同時(shí)也要求教師把課備足，備充分.

2.4 “延伸思考”

該步驟是對(duì)于上課將要講解的內(nèi)容，教師備課時(shí)要精心設(shè)計(jì)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)引發(fā)思考和解答后，教師可進(jìn)一步引出新的、更深的問(wèn)題，讓學(xué)生在已解決問(wèn)題的基礎(chǔ)上再深入思考.從而學(xué)生可對(duì)該知識(shí)掌握的牢固且靈活.

3 實(shí)踐應(yīng)用

3.1 敢于質(zhì)疑

相信科學(xué)而又要敢于質(zhì)疑，如講到脈沖JK觸發(fā)器時(shí)，該觸發(fā)器能夠克服RS觸發(fā)器在R=S=1時(shí)輸出狀態(tài)不確定，而該觸發(fā)器沒缺點(diǎn)了嗎？每種情況都符合JK觸發(fā)器的規(guī)則嗎？接著可以給出圖2所示的JK觸發(fā)器的輸入波形，并質(zhì)疑同學(xué)們?cè)诘?個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)觸發(fā)器的狀態(tài)？

圖2 啟發(fā)式教學(xué)示例

在第2個(gè)CLK時(shí)鐘信號(hào)的高電平期間，K端狀態(tài)發(fā)生變化，因而不能簡(jiǎn)單地以CLK下降沿到達(dá)時(shí)J、K的狀態(tài)來(lái)決定觸發(fā)器的次態(tài).因?yàn)樵贑LK高電平期間出現(xiàn)過(guò)短時(shí)的J=0，K=1的狀態(tài)，此時(shí)主觸發(fā)器便被置0，所以雖然CLK下降沿到達(dá)時(shí)輸入狀態(tài)回到了J=K=0,但從觸發(fā)器仍按主觸發(fā)器的狀態(tài)被置成0，及Q*=0.第3個(gè)CLK周期的情況和第2個(gè)類似，此處不再贅述.

3.2 深度思考

在觸發(fā)器的講解中，從觸發(fā)方式分3類，這3類觸發(fā)器的講解是循序漸進(jìn)，逐層遞進(jìn)的.在講完主從JK觸發(fā)器后，可以引導(dǎo)學(xué)生，該觸發(fā)器盡管各種輸入狀態(tài)都有相應(yīng)的輸出，但由于存在一次變化現(xiàn)象，即在CLK=1期間不管輸入狀態(tài)變化幾次，輸出僅變化一次.接著繼續(xù)引導(dǎo)，為了提高觸發(fā)器的抗干擾能力，能否設(shè)計(jì)出一種觸發(fā)器，其輸出狀態(tài)僅取決于CLK信號(hào)的上升沿或下降沿呢？由此水到渠成的引入邊沿觸發(fā)器，還讓學(xué)生對(duì)3種觸發(fā)器的層進(jìn)關(guān)系及各自優(yōu)缺點(diǎn)一目了然.

4 異步計(jì)數(shù)器實(shí)例

時(shí)序電路是數(shù)字電路中極其重要的內(nèi)容，在許多方面應(yīng)用廣泛.本節(jié)采用“啟發(fā)+探索式”教學(xué)方法對(duì)其中的“異步二進(jìn)制計(jì)算器”進(jìn)行剖析，具體如下：

4.1 問(wèn)題的引入

異步計(jì)數(shù)器在做“加1”計(jì)數(shù)時(shí)是采取從低位到高位逐位進(jìn)位的方式工作的.由此拋出問(wèn)題，既然各個(gè)觸發(fā)器采用不同的時(shí)鐘信號(hào)，那各觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)如何設(shè)置呢？

4.2 引發(fā)思考

二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器規(guī)則，每一位如果已經(jīng)是1，則再記入1時(shí)應(yīng)變?yōu)?，同時(shí)向高位發(fā)出進(jìn)位信號(hào)使高位翻轉(zhuǎn).由此知識(shí)，異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器如何設(shè)計(jì)呢？

4.3 點(diǎn)撥解決問(wèn)題

若使用下降沿動(dòng)作的T觸發(fā)器組成計(jì)數(shù)器并令T=1，則只要將低位觸發(fā)器的Q端接至高位觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端即可.

4.4 延伸思考

接著引導(dǎo)學(xué)生思考，第1個(gè)如果用上升沿T觸發(fā)器該如何連接？第2個(gè)如果用上述下降沿觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)器該如何接？

4.5 實(shí)驗(yàn)思考

上面所述均說(shuō)由T觸發(fā)器構(gòu)成的計(jì)數(shù)器，實(shí)驗(yàn)中給定2片的74LS112(雙JK觸發(fā)器)，如何完成異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的接線？

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從“啟發(fā)+探索”式教學(xué)背景入手，圍繞“提出問(wèn)題”“引發(fā)思考”“點(diǎn)撥解決問(wèn)題”以及“延伸思考”四個(gè)方面，展開遞進(jìn)式闡述.具體為針對(duì)所學(xué)內(nèi)容巧妙提出問(wèn)題，讓學(xué)生積極參與思考，然后教師適時(shí)點(diǎn)撥，師生一起思考解決問(wèn)題，最后對(duì)已解決問(wèn)題進(jìn)行質(zhì)問(wèn)，設(shè)疑，提出新的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生更深層次的思考.整個(gè)過(guò)程下來(lái)，學(xué)生們收獲頗多，受到學(xué)生一致好評(píng)，學(xué)生的成績(jī)普遍提高很多.因此，該教學(xué)方式可以將枯燥乏味的教學(xué)通過(guò)調(diào)動(dòng)學(xué)生參與的積極性而豐富多彩起來(lái)，值得推廣應(yīng)用.