案例教學法在數字邏輯教學中的應用

　　摘要：針對傳統以教師為中心的教學方法存在理論和工程實際脫離的問題，探討案例教學法在數字邏輯課程中的應用方法。在分析案例教學法內涵的基礎上，提出結合課程目標和課程特點，有效引入開篇案例建立理論和工程概念的橋梁，設置開放性案例引導學生主動探究問題的興趣，培養學生的創新意識。在此基礎上，通過建立多元考試方案和評分方法鼓勵學生積極參與教學過程，取得良好成效。
　　關鍵詞：案例教學法；數字邏輯；創新意識
　　
　　隨著嵌入式系統的發展，硬件可編程芯片人才的社會需求日益增大。作為計算機專業的硬件基礎課，數字邏輯一方面需要為學生硬件課程的學習奠定堅實的理論基礎，另一方面需要培養學生扎實的硬件工程素質和對硬件課程的強烈興趣。然而，目前數字邏輯的教學效果并不理想，學生多停留在理論學習和習題解答上，對工程問題缺乏思考和解決能力[1]。事實上，隨著數字邏輯課程建設的發展，包括我院在內的很多高校在數字邏輯教學內容設置上增加了基于硬件描述語言的現代設計方法，內容隨著技術發展進行了更新。然而，這并沒有在實質上激發學生的創新意識。以教師為中心的傳統教學模式，沒有在教學過程中為學生提供發現問題、獨立思考問題、解決問題的空間，影響了學生主動性的發揮，阻礙了對學生創新能力的培養。因而，探索如何改進傳統的以教師為中心的教學模式，培養學生的自主學習意識，重視討論式、研究式學習方式的培養，在數字邏輯課程教學過程中加以實施，對提高教學效果，培養應用創新性人才具有重要意義。
　　案例教學自1920年在美國問世以來，被認為是一種卓有成效的教學方法。運用案例教學法組織經濟管理類課程的教學活動，并用案例分析來考核和評價學生學習成績的優劣，己收到良好的效果。具有明顯的目的性、啟發性和客觀性，案例教學符合當前教學方法改革的要求[2-4]。作為為培養未來計算機工程師奠定重要硬件基礎的數字邏輯課程，不僅要培養學生的理論基礎，更需要培養學生樹立很強的工程意識，養成良好的工程素質。面向這一需求，我們在課程教學中引入案例式教學方法，階段性地設計一些具有工程性質的案例，鼓勵學生面向案例解決方案加以討論，分析方案的設計架構、思路，根據所學專業知識提出改進方案，并對其方案的可行性展開廣泛討論和驗證。下面筆者從案例設計和考核方法等幾個方面，對基于案例教學法在數字邏輯課程中的應用方法加以探討，力圖為應用創新人才培養教學模式研究提供實踐經驗。
　　1案例教學法內涵分析
　　案例式教學模式是研究型教學的模式之一，在管理、金融等學科的課程教學中得到了成功應用。其本質在于基于真實案例展開深入討論、分析，通過學生共同參與，提升其對理論和實踐的認知水平，提高學生分析和解決問題的能力，達到教學目標。
　　案例教學法目前常見的幾個典型定義有：①教師根據教學目標的需要，采用案例進行講解及組織學生對案例進行研討，引導學生從實際案例中學習、理解和掌握一般規律、原則、方法及操作實驗，從而有效地將理論知識和實踐技能相互結合。②在教師的精心策劃和指導下，根據教學目的、教學內容的需要，運用典型案例，將學生帶入特定事件的現場，深入分析案例，以提高學生分析問題和解決問題的能力。③利用以真實事件為基礎所撰寫的案例進行課堂教學，讓學生對案例進行分析、討論、交流，充分表達自己的見解，以達到高層次的認知學習目標。④通過一組案例提供高度擬真的情境，讓學生嘗試在分析具體問題中獨立作出判斷和決策，以培養學生運用所學理論解決實際問題的能力[5]。
　　從上述定義可以看出，與傳統的以教師為核心的教學方法相比，在案例教學法中，學生是教學過程的主體，通過學生自主對案例的分析、討論和參與，達到教學目標。因此，案例教學法中案例的設計是關鍵，正確引導學生參與，則是教師在整個教學過程中所起的作用。在基于案例的教學法中，重要的基礎就是案例的選擇和設計，以及教學過程引導方法的設計。
　　2階段性引入案例，建立理論與工程概念的橋梁
　　在多年的教學過程中，我們發現，理論方法的掌握并不是學生學習的主要障礙，其主要問題是缺乏理論知識和實踐問題認知的溝通。雖然實驗教學過程對此可以有所改善，但課堂的理論化教學仍然分割了學生對理論和實踐聯系的認識。因而，在教學過程中引入工程性問題，從問題中抽象出概念，可使學生更容易理解理論概念，有益于培養他們更強的工程意識，將理論很好地應用于實際問題的解決中。在教學過程中，主要引入兩類案例。一類是一開始引入開篇案例，幫助學生理解抽象概念；另一類是在一定的學習基礎上引入綜合性較強的案例，建立完整的知識體系，培養學生的工程意識和創新意識。
　　2.1設計開篇案例，幫助學生理解抽象概念
　　在學習組合邏輯的功能電路的設計階段，我們發現學生對譯碼器、編碼器等邏輯功能接受比較困難。抽象的功能表描述，往往使學生不知所云，很難理解功能表中表述的輸入和輸出的邏輯功能具體含義。因此，在課程教學工程中，我們結合實驗和生活經驗選擇了下面的一個案例，力圖從學生熟悉的日常生活概念中抽象出邏輯概念，提出問題，進而學習設計方法，收到了比較好的效果。以編碼器的學習為例，本課程選用競賽用搶答電路設計為案例。該案例描述如下：設計一個多人搶答器電路，應用于知識比賽中，假設有八個組，每組一個搶答按鍵，搶答器電路能夠識別哪個參賽組最先按下按鍵，并將該組的編號顯示在數碼管上。其示意圖如圖1所示。在編碼器介紹的開篇，首先給學生引入該案例，讓學生圍繞該案例思考幾個問題。
　　1) 搶答器電路的輸入和輸出是什么？
　　2)輸入和輸出在數字電路中的表示形式是什么？
　　3) 輸入轉換為輸出的內涵是什么？
　　4) 這種類型電路還有哪些可能的應用？
　　顯然，學生根據生活常識，很容易確定輸入是“按鍵按下”的狀態。即有否按鍵按下，哪個按鍵最先被按下。電路的作用就是響應最先搶答方的按鍵按下狀態，對其他按鍵則不予響應，輸出則為搶答方的編號。這種形式抽象為數字電路中的邏輯變量，就構造出如表1所示的真值表。具有類似功能的電路還有數字鍵盤電路，實現10個數字按鍵對應按鍵的數字碼輸出。不同的應用功能具有相似的邏輯表述，而實現這種輸入到輸出的轉換功能就是編碼器。圖2為其邏輯符號，左邊為輸入I0，I1……In，即參賽各方的按鍵；右邊線表示輸出，即搶答成功組的編碼。進一步圍繞該案例，很自然地可以將輸入輸出的物理形式和邏輯表示形式問題呈現給學生。通常可以設計在課堂上提出這一問題，并引導學生結合前面介紹的碼制和數制進一步探討該問題。
　　案例的引入將原本抽象的編碼器具體化，學生一方面比較容易理解編碼器的含義，另一方面又能體會編碼器的應用。在學生將抽象的編碼器功能表理解后，再圍繞該功能展開基于門級設計介紹內部電路，基于中規模芯片實現功能電路設計，并學習基于硬件描述語言的設計方法。多層次、多方位的引入將實際工程問題抽象并轉換為邏輯電路設計問題，最后選用相應的方法設計實現。
　　總之，在案例式教學模式中，實例設計是一個關鍵點。引入具有工程性的實例作為開篇，通過實例分析，確定待解決問題的目標、任務，可讓學生明確可能存在的知識點，帶著問題去聽課，在掌握相應理論和工程方法基礎上，對實例的解決方案加以總結。
　　數字邏輯課程實例的設計是一個難點。作為一門專業基礎課，由于學生尚未具有足夠的知識積累思考復雜的設計任務，因此實例設計不能過于復雜，但也不能停留在一般的例題形式，這樣無法激發學生的創新思維，不利于工程意識的培養。因而在課程建設中，教師要以課程大綱為目標，選擇適當案例進行簡化、裁剪，在開始章節要選擇接近日常生活的問題規劃案例，隨著知識學習的積累，再逐步選擇專業性較強的案例，由易到難、由簡到繁。
　　
　　2.2設置開放性案例，引導學生主動探究問題
　　案例教學法是在學習了一定專業知識的基礎上，通過學生獨立思考、相互討論和教師啟發獲得案例問題的解決方案。這里問題求解的自主思考能力和方案可行性分析、判斷能力是培養的主要目標。因而在教學的一定階段，需要規劃具有綜合性的題目，引導學生采用不同的解決方案，鼓勵學生通過課下習題、仿真實驗，對方案加以驗證，適當地組織一些課堂討論。對某些案例中學生提出的較好方案，教師要安排學生在課堂上進行論述，并廣泛展開討論，通過學生之間的經驗分享加深其對知識點的掌握，提高學生的自主探究意識。
　　該類案例設計的要點是對基于不同方法的設計加以比較。以搶答器的設計為例，在開篇中，該案例幫助學生理解編碼器的邏輯功能；在學習了編碼器的功能和引入芯片的概念后，教師可以給學生提出問題：如何用編碼器來實現該功能？同時利用硬件描述語言又如何實現？如何應用門電路加以實現？在學生提出解決方案后，教師將不同的設計方案加以比較，組織學生對方法的異同、優劣展開討論，尋找規律。在學生主動參與的過程中，激發其探究問題的興趣。
　　另外，設計這類案例的重點是要綜合多個知識點實現系統設計。例如，在學習完計數器后，可以針對搶答器設計進一步提出設計要求，增加搶答時間倒計時的功能。如果規定時間內未有人搶答，則問題無效，繼續下一個問題。顯然，這要通過增加減法計數器實現。進而可以提出增加記分器的設計，將加法器與寄存器的概念融入案例中。這種案例的設計可使學生對所學功能模塊在實際工程問題中的應用以及系統級的設計方法有更為清晰的認識，有助于學生建立系統的概念，避免知識點的孤立，從而建立更強的工程意識。
　　3建立有效激勵機制，發揮教師的引導作用
　　3.1完善備課計劃
　　由于多年來養成面向高考的學習習慣，學生并不太習慣自主學習，討論課比較難以展開；同時由于學生知識面和經驗的欠缺，在以學生為主體的討論課堂中，教師不僅不能完全放手，而且更要全程參與，通過對課堂的控制和有效引導，啟發學生思考和推進討論氣氛。這種參與建立在教師扎實的知識基礎上。在備課過程中，教師要建立更為詳實的教案，就可能出現的問題加以羅列，規劃、啟發和引導學生開展開放性思維活動的命題，引導學生提出不同的方案，特別有意識地引導學生注意知識點之間的關聯關系，啟發學生對不同的方案加以分析，研究和設計一些討論場景，從而引發學習者的自主學習興趣與主動性。
　　3.2培養學生創新能力的多元考試方案和評分方法
　　合理地設置考核方案，也是鼓勵學生討論積極性的有效方法。案例教學法有助于培養學生開發分析、綜合及評估能力等高級智力技能，因而設置評價體系的時候，要綜合采用多元的評價體系，結合傳統的筆試，增加方案設計報告評價；同時對過程要給予獎勵， 不僅評價其設計方案，對學生參與討論的積極性以及能夠提出有價值的評判問題和歸納出有價值的結論，也要給予鼓勵。具體在設計評分標準時，要充分考慮各種因素，包括關鍵問題、問題相關性等。
　　4結語
　　數字邏輯是一門傳統的專業基礎課程，有很多經典的內容，隨著現代電子制造技術、可編程器件和EDA平臺的發展，又發展了許多新的內容。面對豐富的教學內容，如果孤立地講授，會讓學生不知所措。因而在具體教學過程中，教師應結合實際引入和簡化一些工程問題，幫助學生將繁多、抽象的概念、方法具體化，由淺入深地將知識點結合起來，幫助學生建立更強的工程概念。面向案例的自主學習和討論，可培養學生的開放性思維方式和面向實踐的工程意識，通過階段性引入案例，達到較好的教學效果。在后續的教學過程中，我們還有待建立更多案例，并根據教學實踐編寫相應教材，同時完善教案和評價體系，進一步提高學生的工程創新意識。
　　
　　參考文獻：
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