面向高階思維能力培養 構建《數字電路》高階課堂

宋陽 周波 周國軍

摘要：高階思維是發生在較高認知水平層次上的心智活動或較高層次的認知能力，集中體現了知識時代對人才素質提出的新要求，是適應知識時代發展的關鍵能力。然而，目前絕大多數高校課堂教學依然停留在低階能力、低階學習和低階思維的層次上，沒有有效地促進學員高階思維能力的發展、塑造學員適應社會發展所需要的核心素質和能力。文章將以《數字電路》課程為依托，深度剖析課程各模塊各部分內容的特點，以高階學習作為主要參照標準，設計教學活動，研究建設高階課堂的實施辦法，提高學員的高階思維能力和綜合素質。

關鍵詞：高階思維能力;數字電路;高階課堂;教學活動

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）19-0154-02

1 研究背景及意義

新技術、新媒體的發展使人類前所未有地減輕了低階知識與能力的負荷，使得人們更需要具備完成復雜任務、解決劣構問題的高級綜合能力，即高階思維[1]。人們學習知識的認知過程分為六個方面，分別為記憶、理解、應用、分析、評價和創造，其中知識、理解、應用被稱為低階思維，分析、綜合和評價被稱為高階思維[2]。

高階思維教學是國內外教育教學改革的發展方向，教育的主要目標就是要發展學員的高階思維能力，它具有嚴謹性、深刻性、定量性、批判性、獨創性、靈活性等特點，倡導學員主動參與、樂于探究、勤于動手，培養學員搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力以及交流與合作的能力，成為一個有創新能力的終身學習者，在當今世界的發展大潮中激流勇進[3-4]。

2 課程內容與特點剖析

2.1 課程模塊劃分

電子技術分為模擬電子技術和數字電子技術兩大類，《數字電路》課程主要學習數字電子技術的基礎內容，通過對常用電子器件、數字電路及其系統的分析與設計的學習，使學員獲得數字電子技術方面的基本理論、基本知識和基本技能，系統地、正確地建立數字電子技術的相關概念，一方面為學員以后深入學習電子技術打下基礎，另一方面使其掌握在信息化社會里工作、學習和生活所必須具備的數字電路知識與基本操作技能。

近年來，國內外數字電子技術教材種類繁多，課程的編排順序有所不同。依據我院的課程教學計劃將課程的主要結構內容分為以下幾部分：⑴分析與設計工具：邏輯代數，重點學習邏輯代數的基本定律和定理、邏輯關系的描述方法和相互轉換、邏輯函數的化簡方法;⑵基本單元電路：門電路、鎖存器、觸發器，重點學習各單元電路的工作原理、邏輯符號及邏輯功能;⑶電路的分析與設計方法：組合電路的分析方法、設計方法、時序電路的分析方法，重點學習組合電路的特點、分析方法和設計方法，時序電路的特點、描述方法和分析方法;⑷典型功能電路：編碼器、譯碼器、加法器、計數器、寄存器、555定時器、555定時器組成的施密特觸發器、555定時器組成的單穩態觸發器、555定時器組成的多諧振蕩器、數模與模數轉換器，重點學習各功能電路的工作原理、邏輯功能及使用方法。課程模塊的結構示意圖如圖1所示。

2.2 模塊特點剖析

模塊一：分析與設計工具，即數字電路的分析與設計工具——邏輯代數。重點學習邏輯函數表達式形式，包括與或式、與非式、最小項形式，邏輯代數的基本定律和定理，邏輯關系的描述方法及相互轉換，邏輯函數的化簡方法。本模塊要求學員必須掌握邏輯函數表達式的形式和相互轉換的方法，邏輯關系的描述方法和互相轉換的方法，能夠利用邏輯代數的基本定律和定理對邏輯函數進行化簡和變換。這部分內容難度不大，但是需要學員深入理解，熟練掌握，并且能做到靈活運用。

模塊二：基本單元電路，即本課程的基礎，是構成功能電路的基本單元。包括門電路、鎖存器和觸發器，重點學習與門、或門、非門、與非門、或非門、同或門、異或門，CMOS三態門、CMOS傳輸門和TTL門電路;或非門構成的基本SR鎖存器、與非門構成的基本SR鎖存器、門控D鎖存器;D觸發器、JK觸發器、T觸發器、T觸發器和觸發器的功能轉換。本模塊要求學員必須掌握各種門電路、鎖存器和觸發器的工作原理、邏輯符號及邏輯功能。這部分內容涉及的電路結構多種多樣，工作原理和邏輯功能也各不相同，內容相對枯燥、抽象。教員在講解及學員在學習這一部分內容時，必須清楚意識到這是課程的核心基礎，引導學員熟練掌握這些核心的基本單元電路。

模塊三：電路的分析與設計方法。數字系統中常用的各種數字部件，就其結構和工作原理而言可以分為兩大類：即組合邏輯電路和時序邏輯電路。該模塊主要討論的就是組合電路和時序電路的分析與設計方法，涉及的內容有：組合邏輯電路的概念、特點、電路的分析和設計方法，時序邏輯電路的概念、分類、特點、電路的分析方法。這部分涉及的概念、電路都很多，對于初學者而言，容易出現畏難情緒，在學習這部分內容的同時，教員應該設法激發學員的學習興趣與學習熱情，提升他們的學習自信心。

模塊四：典型功能電路，即該課程中具有實際功能的電路。重點是各功能電路的基本組成、工作原理、邏輯功能及使用方法。屬于組合邏輯電路中的功能電路有編碼器、譯碼器、加法器，譯碼器的分類較多，應用也非常靈活，可以實現任意邏輯函數和組合邏輯電路，對于初學者而言，存在一定難度。計數器、寄存器屬于時序邏輯電路中的功能電路，這部分內容是本門課的重點也是難點，計數器、數碼寄存器、移位寄存器，環形計數器等典型功能電路涉及的基本概念、邏輯功能較多，學員在學習的過程中極易混淆，學習起來較吃力。555定時器及其組成的三種應用電路、數模與模數轉換器，這些功能電路中既含有數字電路又有模擬電路，屬于模擬電路和數字電路的綜合應用電路，電路的組成和工作原理中涉及的內容較多，考驗學員對已學知識的掌握和靈活運用的情況。該模塊中包含的各種功能電路大多數都有集成芯片產品，因此，在學習本模塊時教員要強調理論與實踐相結合的學習方法，為學員提供動手實踐的機會。

3 高階課堂開展的策略研究

依據《數字電路》課程各模塊內容的特點，參考“高階課堂”開展的方式、方法，《數字電路》高階課堂的課堂教學設計如下：

3.1 基礎理論、基本單元電路

基礎理論和基本單元電路是針對《數字電路》課程模塊一和模塊二的內容。《數字電路》課程的基礎理論較多，但是難度不大，如果教員能在課前給出明確的預習目標，學員通過自學，是可以完成這部分教學內容的學習的。因此，針對這部分內容建議采用翻轉課堂的授課形式，將課堂上的主動權從教員轉移給學員，但是為了強化內容，幫助學員掌握重難點，提高學員舉一反三的能力，可以增加隨堂測驗的環節。

單元電路是構成功能電路的基石，是數字電路的基礎。其中除了有部分的理論知識、學科常識以外，均是各單元電路的相關內容。教材上、網絡的學習資料中關于各單元電路相關內容的介紹相當詳細，可以以學員自學為主，然后采用翻轉課堂等形式檢驗學員的學習效果;對于單元電路的應用部分可以課下組織學員查資料或者課堂上以討論、測驗等形式開展。兩個模塊內容的具體的開展方法和能力培養情況如表1所示。

3.2 基本方法、功能電路

基本方法和功能電路是針對《數字電路》課程模塊三和模塊四的內容。《數字電路》課程的基本方法是分析和設計數字電路的方法，是本課程的核心內容。組合電路和時序電路的分析、設計方法是固定的，但是具體的案例非常多，靈活多變。對于方法的學習，可以以學員自學為主，然后采用翻轉課堂等形式檢驗學員的學習效果;對于不同案例的分析和設計，可以參考基于項目式的教學方法;由于該部分內容涉及的案例均為實際應用電路，可以依據具體案例讓學員利用軟件仿真或者搭建實物電路的方法設計出電路。

功能電路是本課程中可以實現具體功能的數字電路，屬于對前面三個模塊內容的綜合與應用。功能電路部分涉及的電路結構多、功能原理多、應用靈活，是本課程的難點所在。對于功能電路的電路組成、工作原理建議以翻轉課堂的形式開展，功能電路的應用可以學員課下搜集資料、課上展示討論，也可以教員提出任務，學員集體討論，給出方案等多種形式開展。為了幫助學員把握重難點內容，可以進行隨堂測驗。本課程貼近實際應用的功能電路基本都在本模塊給出，可以組織學員利用軟件仿真或者搭建實物電路的方法設計出具體電路，提升學員的學習自信心和學習樂趣。開展方法和能力培養情況如表2所示。

4 結束語

雖然國內外對高階思維理論的研究較多，對高階課堂的推崇也較強，但是針對具體課程探索建設高階課堂的案例寥寥無幾，本文以《數字電路》課程為依托，以高階學習作為主要參照標準，構思教學活動中的各個環節，構建《數字電路》高階課堂，提高學員的高階思維能力和綜合素質。

參考文獻：

[1] 劉曉玲.高階思維能力培養[J].中國冶金教育，2020（5）：20-22.

[2] 楊文若.淺談如何從低階思維邁向高階思維[J].天天愛科學（教學研究），2020（12）：21.

[3] 李娜.優化教學策略，培養學生高階思維[J].數學大世界（上旬），2020（11）：72.

[4] 錢晶.深度學習與高階思維培養[J].數學大世界（上旬），2020（11）：78-79.

收稿日期：2021-08-31

基金項目：本文獲得海軍大連艦艇學院基礎部2020年度科研預研課題資助

作者簡介：宋陽（1989—），女，滿族，遼寧撫順人，海軍大連艦艇學院基礎部，助教，碩士，主要從事電工電子技術方面的教學。