探究式學習方法在數(shù)字電路教學中的應用

寶雞文理學院物理與光電技術(shù)學院 周新淳

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探究式學習方法在數(shù)字電路教學中的應用

寶雞文理學院物理與光電技術(shù)學院 周新淳

【摘要】本文對高校工科類數(shù)字電路課程的傳統(tǒng)教學模式的優(yōu)劣進行深入分析,指出引進探究式教學模式的必要性。再以教學實踐經(jīng)驗為依據(jù)，具體講述了這一教學方法在數(shù)字電路教學中的實施步驟及過程,并給出具體實例。本文的教改實踐可作為高校其他課程開展探究式教學的方法借鑒。

【關(guān)鍵詞】探究式教學方法；數(shù)字電路；Multisim；搶答器

1　引言

數(shù)字電子技術(shù)是高校工科類硬件體系最基礎的課程，在很多高校都是作為一門專業(yè)核心課程開設。是連接前導課程電路分析和后續(xù)課程微機原理、單片機、FPGA等課程的橋梁。也是學生以后進行電子設計制作類競賽的基礎[1]。

數(shù)字電路理論性較強，邏輯思維嚴密，傳統(tǒng)教學都是以理論講授為主，實驗課程為輔，而且實驗大都是驗證性實驗。這種教學方法優(yōu)點是理論突出，邏輯性好，各章節(jié)知識脈絡清晰，但同時這種教學方法也存在一些弊端，比如學生缺乏創(chuàng)新思維，把理論轉(zhuǎn)化為實踐的能力也較差。這與當前新的人才培養(yǎng)模式不符。現(xiàn)在也有一種稱之為“項目教學法”的新教學模式[2]，這種方法實踐性強，對學生的創(chuàng)新思維啟發(fā)也有一定的引導，但是這種方法的完全實施要和整個課程的考核方案相配合，而且這種方法對學生的自學能力要求也很高。所以并不完全適應于大部分工科院校。基于此，本文提出一種新的教學方法——探究式學習。

2　探究式教學方法的實施

探究式學習以理論教學為主，在教學過程中，對部分章節(jié)或者主要內(nèi)容采用提出問題、設計方案、發(fā)現(xiàn)新問題、改進方案等步驟，在一步步解決問題的過程中巧妙的將知識點融于，與學生充分討論，激發(fā)興趣，引導思維。并在對應實驗課程中對課堂教學成果加以驗證，將傳統(tǒng)的實驗由驗證理論改進為驗證不同的設計方案，有條件的學校還可以輔以設計性實驗以及綜合性實驗，對部分項目進行延伸[3]。

下面以數(shù)字電路中觸發(fā)器一章作為例子，詳細介紹探究式教學法的應用。

（1）提出問題

觸發(fā)器最先研究的是SR鎖存器，在對鎖存器做功能上的講解和分析后，最主要的是告訴這個器件和前幾章所學門電路的區(qū)別，還有SR鎖存器的實際用途有什么。為了更清楚的認識鎖存器的作用，在這里，我們可以提出設計一個搶答器的要求。

（2）設計方案

搶答器對搶答結(jié)果應該有維持作用，而門電路則無法實現(xiàn)，而用SR鎖存器可以實現(xiàn)兩個選手的正常搶答并保存結(jié)果，如圖1所示。在這個電路中，用開關(guān)S1和S2代表兩個選手，用LED1和LED2代表搶答結(jié)果。哪個選手搶答到則該選手對應的LED亮。

圖1　SR鎖存器構(gòu)成雙人搶答器Fig.1 2-Line answering racer based on SR-latch

（3）分析問題

圖1所示搶答器可以完成搶答器的基本功能，但是和實際搶答器相比，還存在以下幾個問題：

1）沒有主持人控制端，主持人無法進行搶答的時間控制。

2）只能進行兩人搶答，多人搶答無法解決同步問題。

這個問題不僅是搶答器的弊端，同時也是SR鎖存器的不足，為了改進這些問題。我們可以順理成章的引出下一節(jié)內(nèi)容，電平觸發(fā)的觸發(fā)器[4]。

（4）改進方案

電平觸發(fā)的觸發(fā)器增加了CLK時鐘信號，在CLK為高電平的時候允許觸發(fā)器動作，而在CLK為低電平時維持觸發(fā)器輸出不變，利用這一特性，可以進入主持人按鍵，用來控制CLK的高低電平。如圖2所示。S3處為主持人控制按鍵，平時置于低電平，用來鎖存兩個觸發(fā)器，是觸發(fā)器輸出均為0。開始搶答時，將開關(guān)置于高電平。S1和S2為選手按鍵，平時置于低電平，搶答時按下按鍵時接高電平，則相應輸出為1，對應的LED燈亮。此方案不但解決了主持人控制問題，而且可以進行多人搶答，只要增加相應的SR觸發(fā)器就可以了。

圖2　同步觸發(fā)器構(gòu)成的搶答器電路Fig.2 Responder circuit synchronization of flip flops

圖3　雙人搶答器電路Fig.3 circuit of 2-Line answering racer Responder

但是這個電路仍然存在一些問題，比如說在主持人高電平持續(xù)期間，選手反復按鍵會引起輸出LED燈反復變化，從而失去搶答器的作用。正在的搶答器電路需要允許觸發(fā)器動作的時間越短越好，而且一旦有任何一個觸發(fā)器輸出高電平，就應該及時封鎖電路。為了解決這個問題提出新的改進方案，同時引入下一節(jié)教學內(nèi)容---帶異步復位端的觸發(fā)器以及邊沿觸發(fā)器[5]。

（5）最終方案

邊沿觸發(fā)器的引入，可以解決觸發(fā)器的有效觸發(fā)時間過長的問題，并且將主持人按鍵移至每個觸發(fā)器的異步復位端，則可以更有效的控制整個電路。電路如圖3所示。這個電路中，主持人按鍵S1接每個觸發(fā)器的異步復位端，平時接高電平，當搶答開始時接低電平。邊沿JK觸發(fā)器的K端口接低電平，當J端接高電平是觸發(fā)器輸出1，對應的燈亮。為了在任意一個選手搶答后可以鎖存電路，這里巧妙的將每個觸發(fā)器的輸出Q’用與門接出，和信號發(fā)生器的方波信號相與后送入每個觸發(fā)器的時鐘端，則當有任意一個觸發(fā)器輸出為1時，則將CLK置0，從而達到封鎖電路，保持輸出的目的。如果要增加搶答人數(shù)，則只要增加JK觸發(fā)器就可以了[6]。

3　結(jié)束語

探究式教學方法，可以從一個具體問題出發(fā)，既可以很好的調(diào)動起學生的積極性，讓學生參與設計，又可以巧妙的將教學內(nèi)容融入其中，在一步步解決問題的過程中逐漸引入新課，介紹新知識，起到一舉多得的作用。在作者多年的教學過程中，收到了良好的教學效果。

參考文獻

[1]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎[M].北京:高等教育出版社,2005.

[2]白順先,樊榮.項目教學法在《數(shù)字電子技術(shù)》課程中的探索[J].現(xiàn)代計算機,2015年第10期,P26-29.

[3]張學成.數(shù)字電子技術(shù)實驗改革與創(chuàng)新[J].實驗室研究與探索,2011,8.

[4]宋瑾.基于Multisim 10的8路彩燈控制系統(tǒng)設計與仿真[J].電子設計工程,2014,22(7):113-116.

[5]周新淳.基于Multisim的拔河游戲機設計與仿真[J].電子設計工程,2015,23(13):34-36.

[6]胡文龍.基于CDIO的工科探究式教學改革研究[J].高等工程教育研究,2014-1:163-168.

周新淳（1983—），男，陜西寶雞人，碩士，講師，研究方向：信號與信息處理、電路與系統(tǒng)。

作者簡介：

基金項目：本文系寶雞文理學院院級重點項目（項目編號：ZK11145）。