探究式學習方法在數字電路教學中的應用

寶雞文理學院物理與光電技術學院 周新淳

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探究式學習方法在數字電路教學中的應用

寶雞文理學院物理與光電技術學院 周新淳

【摘要】本文對高校工科類數字電路課程的傳統教學模式的優劣進行深入分析,指出引進探究式教學模式的必要性。再以教學實踐經驗為依據，具體講述了這一教學方法在數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。

【關鍵詞】探究式教學方法；數字電路；Multisim；搶答器

1　引言

數字電子技術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核心課程開設。是連接前導課程電路分析和后續課程微機原理、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]。

數字電路理論性較強，邏輯思維嚴密，傳統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。這種教學方法優點是理論突出，邏輯性好，各章節知識脈絡清晰，但同時這種教學方法也存在一些弊端，比如學生缺乏創新思維，把理論轉化為實踐的能力也較差。這與當前新的人才培養模式不符。現在也有一種稱之為“項目教學法”的新教學模式[2]，這種方法實踐性強，對學生的創新思維啟發也有一定的引導，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，對部分章節或者主要內容采用提出問題、設計方案、發現新問題、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]。

下面以數字電路中觸發器一章作為例子，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

搶答器對搶答結果應該有維持作用，而門電路則無法實現，而用SR鎖存器可以實現兩個選手的正常搶答并保存結果，如圖1所示。在這個電路中，用開關S1和S2代表兩個選手，用LED1和LED2代表搶答結果。哪個選手搶答到則該選手對應的LED亮。

圖1　SR鎖存器構成雙人搶答器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內容，電平觸發的觸發器[4]。

（4）改進方案

電平觸發的觸發器增加了CLK時鐘信號，在CLK為高電平的時候允許觸發器動作，而在CLK為低電平時維持觸發器輸出不變，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，用來鎖存兩個觸發器，是觸發器輸出均為0。開始搶答時，將開關置于高電平。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觸發器就可以了。

圖2　同步觸發器構成的搶答器電路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器動作的時間越短越好，而且一旦有任何一個觸發器輸出高電平，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，同時引入下一節教學內容---帶異步復位端的觸發器以及邊沿觸發器[5]。

（5）最終方案

邊沿觸發器的引入，可以解決觸發器的有效觸發時間過長的問題，并且將主持人按鍵移至每個觸發器的異步復位端，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觸發器的K端口接低電平，當J端接高電平是觸發器輸出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器的輸出Q’用與門接出，和信號發生器的方波信號相與后送入每個觸發器的時鐘端，則當有任意一個觸發器輸出為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，則只要增加JK觸發器就可以了[6]。

3　結束語

探究式教學方法，可以從一個具體問題出發，既可以很好的調動起學生的積極性，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.數字電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2005.

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

[3]張學成.數字電子技術實驗改革與創新[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。

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）。