機械類專業“電工與電子技術”課程教學實踐與探索*
——以“組合邏輯電路設計”章節中“三人表決器”的設計為例

秦 鵬，靳國寶，章樂樂，吳澤鵬，孫 碩，唐 健

（巢湖學院機械工程學院，安徽 合肥 238000）

隨著信息化技術的高速發展，機械類專業“電工與電子技術”課程教學面臨著多方面的挑戰。作為實現立德樹人的根本舉措，在“電工與電子技術”課程日常教學中引入課程思政，顯得尤為重要。對于高校而言，課程思政主要從思想政治課、專業素養課和專業教育課3個方面完成，三者相輔相成[1-2]。與思想政治課程不同，專業教育課程中的課程思政教學要與專業知識相關聯，是在專業知識的基礎上合理發散，要實現“潤物細無聲”的教育。具體到“電工與電子技術”課程中，因課程內容、定位和教學目標等不同，實施課程思政的方法和手段也不同[3-4]。

1 課程介紹

電類技術發展日新月異，應用極為廣泛，在我國社會主義現代化建設中占有重要地位。因此，在很多本科學校工科機械類專業中都會開設“電工與電子技術”課程，并將其定位為實踐性較強的專業技術基礎課程。“電工與電子技術”課程內容包括電路分析、模擬電路和數字電路三部分[5-6]。在實際教學中，從“電工與電子技術”與學科專業、科研生產需要之間的關聯切入，引導學生真實地學習知識、了解原理、掌握規律，并得到基本技能的訓練，同時在課程講授中有機融合課程思政，旨在培養機械類相關專業學生解決涉及電工電子技術實際問題的能力，增強社會責任感，提高環保意識，感悟家國情懷，樹立正確的科學觀，為學習后續課程以及從事本專業的工程技術工作和科學研究打下基礎。

2 學情分析

“電工與電子技術”課程開設在本科第4學期，通過本科前3個學期如“高等數學”“大學物理”等先修課程的研修，學生有了一定的電學和物理學基礎，思維相對活躍，樂于實踐，動手能力較強。結合之前電路、模擬電子技術和基本邏輯代數部分的學習以及實驗課的練習，學生也已經基本掌握了數字電路中邏輯門的功能、組合邏輯電路的特點和分析方法以及Multisim電路仿真軟件的使用方法，具有初步的電路搭接能力和電路故障分析排查能力。

“組合邏輯電路設計”屬于“數字電子技術”部分對邏輯門電路的綜合使用，需要學生能把具體問題抽象為邏輯函數，并且通過邏輯電路來實現具體功能，難度相對較大。如果采用傳統的純理論推導，極易挫傷學生的學習興趣，影響后面知識的學習效果。因此，在課堂教學中可以采用“教師引導，學生主體”的模式，充分利用學生好奇、好學和好強的心理特點，以“三人表決器”的設計這一生活實際問題作為載體進行講解，結合Multisim電路仿真軟件將電路設計的結果可視化[7]，并及時地鞏固課堂知識，培養學生“組合邏輯電路設計”的專項能力。

3 教學目標

作為對組合邏輯電路基礎知識的綜合應用，“組合邏輯電路設計”章節教學目標可分為知識目標、能力目標以及思政育人目標三部分，具體內容如表1所示。

表1 “組合邏輯電路設計”教學目標分解表

4 具體授課內容

為了達到既定的教學目標和課程思政要求，需要對“組合邏輯電路設計”的具體授課流程進行教學設計。整個流程如圖1所示，教學過程分為復習、新課學習和總結鞏固三大部分，每個部分都有對應的教學環節進行內容展開，總計7個教學環節[8-9]。

圖1 “組合邏輯電路設計”教學流程圖

4.1 復習部分

第一部分是對先學知識和內容的回顧，對應環節①：已學內容復習，主要是關于本章節要用到的組合邏輯代數的基本定律。具體理論教學內容如表2所示。

表2 “組合邏輯電路設計”理論教學內容

4.2 新課學習部分

本次教學設計將新課學習分為理論部分、實例應用和課程思政三部分，對應環節②到⑥，涉及一般組合邏輯電路的設計要求、步驟，以“三人表決器”為案例的具體電路設計、功能驗證和改進以及由此啟發的課程思政。

4.2.1 理論部分

具體落實到教學過程中，首先把環節②一般組合邏輯電路的設計要求和環節③一般組合邏輯電路的設計步驟等抽象及概括性的內容直接分享給學生，其具體教學內容如表2所示。

4.2.2 實例應用

對照理論部分的內容，并以“三人表決器”為例，完成環節④具體電路即“三人表決器”的設計和環節⑤具體電路即“三人表決器”的功能驗證及改進，實現從“抽象內容概括”到“具體案例應用”過渡，并對“抽象內容概括”進行反饋的閉環。教學環節④和教學環節⑤是具體實例的應用，在教學設計上應及時地有機結合時事和教學內容，教學情境如下：2022年北京冬奧會，某個運動項目有三名裁判（A、B和C），以少數服從多數的原則判定選手能否通過。假設學生是電子設計師，為評判環節設計一個電路，要求能夠體現裁判判定和選手是否過關之間的邏輯關系。

對實際問題的分析是：三名裁判（A、B和C）的意見相互獨立，每名裁判的意見只有“同意”和“不同意”兩種，按照排列組合的規律，不難發現，總共有2*2*2，即8種意見，按照題目中的少數服從多數的原則，也就是說，三名裁判有兩名或者兩名以上認可，那么結果L即為“通過”，反之則為“不通過”，由此，可以得到如表3所示的邏輯關系分析表。

表3 “三人表決器”邏輯關系分析表

第一步：邏輯抽象。邏輯電路只能處理0和1，若要通過組合邏輯電路實現，則需對輸入信息，即三名裁判（A、B和C）的意見和輸出信息，即評定信息進行轉化，轉化為邏輯電路能夠處理的0和1。因此進行如下約定：對于三名裁判（A、B和C）的輸入信號，“同意”為“1”，“不同意”則為“0”。對于評定結果：“通過”為“1”，“不通過”則為“0”，經過這樣的邏輯約定之后，先前的邏輯關系分析就變成了如表4所示的只由0和1組成的真值表，這就完成了組合邏輯電路設計的第一步。

表4 “三人表決器”邏輯真值表

第二步：邏輯表達式。通過觀察真值表可知，里面是有4種情況輸出是1，而這4種情況是互斥的，所以只需要把這4種情況的輸入組合取一個并集，對應到邏輯代數里，就是“邏輯或”起來就可以，結果如式（1）所示。

第三步：邏輯電路圖。根據式（1），選擇合適的基本邏輯門元件，在Multisim仿真軟件中直接構造邏輯電路，可以看到，需要取A、B、C以及各自的非，然后通過三輸入與門，以及四輸入或門，同時兼顧結果的直觀性和可視化，為了讓結果更加直觀，在這里，課題組加上了ALight、BLight、CLight和YLight作為輸入信號和成績的判定。當信號是1時，燈亮；當信號是0時，燈滅。“三人表決器”在Multisim中的初步電路圖如圖2所示。

從圖2所示的“三人表決器”初步電路圖可以看出，其電路圖結構比較復雜，用到的邏輯門器件也很多，所以需要對邏輯門電路進行化簡，過程如圖3所示。化簡之后的結果簡單很多，在Multisim仿真軟件中，將A、B和C三個輸入信號進行兩兩相與，再通過一個三輸入的或門，就可以實現邏輯功能，改進后的“三人表決器”電路圖如圖4所示，再引導學生根據圖3所示的所有輸入組合，驗證輸出結果是否與預期相符。

圖2 “三人表決器”初步電路圖

圖3 “三人表決器”邏輯表達式化簡過程圖

圖4 改進后的“三人表決器”電路圖

4.2.3 課程思政展開

教學環節⑥課程思政展開是針對本章節的課程內容，合理提取所涉及的思政要素。與思想政治課不同，專業課的教學中，要避免重復、老套和生硬地融入思政要素，可以通過知識關聯、案例分析合理提取所涉及的思政要素，進而有效實現課程思政育人的目的[10]，具體到“組合邏輯電路的設計”這一章節中，可以從以下方面展開課程思政。

1）“三人表決器”的邏輯表達式，可以通過L=AB+BC+AC，也可以通過L=A(B+C)+BC，還可以結合后續學習的74LS150八選一數據選擇器來實現，每種方式都有自己的優點，在后續的學習中，應廣開思路，以包容的心態看待問題，汲取他人設計的智慧。

2）在組合邏輯電路的分析和設計時，每個基本邏輯門器件只能實現一個基本功能，只有所有基本功能加在一起，才能構成一套完整的邏輯電路，正如同學們的日常學習和生活都離不開集體合作一樣。用集體精神引導學生正確看待個體與整體的辯證關系，充分發揮個人在集體中的作用，在提高集體凝聚力和綜合性創新能力的同時，實現個人創造力和核心力的提升。

3）在組合邏輯電路的設計過程中，按照“提出需求”“問題分析”“邏輯抽象”“具體實現”“電路改進”和“新電路的具體實現”這樣的一個類似于螺旋式上升的方式進行，引導學生看待生活中的問題要從辯證發展的角度出發，一步一個腳印踏實向上，從量變到質變，又從質變開始新的量變，如此循環往復，終將實現自己的人生價值和社會價值。

4.3 總結鞏固部分

此部分對應教學環節⑦章節內容總結及作業布置。新課內容教學完成之后，及時對本章節的“組合邏輯電路設計”的重點內容進行歸納總結，并設計相關題目，對已學內容及時進行鞏固。題目場景可以以“無償獻血”的背景知識進行相應的發散，點明“無償獻血”的社會意義，并且可以列舉本校或者學生周圍的“無償獻血”的實例，而后將題目展開，再次呼應課程思政的背景。具體題目場景如下：人的血型有A、B、AB、O四種。輸血時輸血者的血型與受血者血型必須符合如圖5所示的箭頭指示的授受關系。試設計邏輯電路，判斷輸血者與受血者的血型是否符合上述規定。

圖5 “無償獻血”中的血型匹配規則關系圖

5 結語

機械類專業“電工與電子技術”課程，其知識點分散、內容抽象，導致學生在理解和掌握上存在一定的難度。因此，“電工與電子技術”課程教學實踐可以結合具體應用，從學生身邊的案例出發，結合時事作為題目背景進行教學設計，并且與課程思政進行有機融合。對于專業課程的思政教育要做到“守好一段渠、種好責任田”，使專業課程與思政教育同向同行，形成協同效應，完成知識目標和能力目標的同時，也能夠順利達到思政教育的教學目的，進一步提高“電工與電子技術”課程的教學質量和培養的人才質量。