面向高階思維能力培養(yǎng) 構(gòu)建《數(shù)字電路》高階課堂

宋陽 周波 周國軍

摘要：高階思維是發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動(dòng)或較高層次的認(rèn)知能力，集中體現(xiàn)了知識(shí)時(shí)代對(duì)人才素質(zhì)提出的新要求，是適應(yīng)知識(shí)時(shí)代發(fā)展的關(guān)鍵能力。然而，目前絕大多數(shù)高校課堂教學(xué)依然停留在低階能力、低階學(xué)習(xí)和低階思維的層次上，沒有有效地促進(jìn)學(xué)員高階思維能力的發(fā)展、塑造學(xué)員適應(yīng)社會(huì)發(fā)展所需要的核心素質(zhì)和能力。文章將以《數(shù)字電路》課程為依托，深度剖析課程各模塊各部分內(nèi)容的特點(diǎn)，以高階學(xué)習(xí)作為主要參照標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，研究建設(shè)高階課堂的實(shí)施辦法，提高學(xué)員的高階思維能力和綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：高階思維能力;數(shù)字電路;高階課堂;教學(xué)活動(dòng)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）19-0154-02

1 研究背景及意義

新技術(shù)、新媒體的發(fā)展使人類前所未有地減輕了低階知識(shí)與能力的負(fù)荷，使得人們更需要具備完成復(fù)雜任務(wù)、解決劣構(gòu)問題的高級(jí)綜合能力，即高階思維[1]。人們學(xué)習(xí)知識(shí)的認(rèn)知過程分為六個(gè)方面，分別為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造，其中知識(shí)、理解、應(yīng)用被稱為低階思維，分析、綜合和評(píng)價(jià)被稱為高階思維[2]。

高階思維教學(xué)是國內(nèi)外教育教學(xué)改革的發(fā)展方向，教育的主要目標(biāo)就是要發(fā)展學(xué)員的高階思維能力，它具有嚴(yán)謹(jǐn)性、深刻性、定量性、批判性、獨(dú)創(chuàng)性、靈活性等特點(diǎn)，倡導(dǎo)學(xué)員主動(dòng)參與、樂于探究、勤于動(dòng)手，培養(yǎng)學(xué)員搜集和處理信息的能力、獲取新知識(shí)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(gè)有創(chuàng)新能力的終身學(xué)習(xí)者，在當(dāng)今世界的發(fā)展大潮中激流勇進(jìn)[3-4]。

2 課程內(nèi)容與特點(diǎn)剖析

2.1 課程模塊劃分

電子技術(shù)分為模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)兩大類，《數(shù)字電路》課程主要學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)內(nèi)容，通過對(duì)常用電子器件、數(shù)字電路及其系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，使學(xué)員獲得數(shù)字電子技術(shù)方面的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，系統(tǒng)地、正確地建立數(shù)字電子技術(shù)的相關(guān)概念，一方面為學(xué)員以后深入學(xué)習(xí)電子技術(shù)打下基礎(chǔ)，另一方面使其掌握在信息化社會(huì)里工作、學(xué)習(xí)和生活所必須具備的數(shù)字電路知識(shí)與基本操作技能。

近年來，國內(nèi)外數(shù)字電子技術(shù)教材種類繁多，課程的編排順序有所不同。依據(jù)我院的課程教學(xué)計(jì)劃將課程的主要結(jié)構(gòu)內(nèi)容分為以下幾部分：⑴分析與設(shè)計(jì)工具：邏輯代數(shù)，重點(diǎn)學(xué)習(xí)邏輯代數(shù)的基本定律和定理、邏輯關(guān)系的描述方法和相互轉(zhuǎn)換、邏輯函數(shù)的化簡方法;⑵基本單元電路：門電路、鎖存器、觸發(fā)器，重點(diǎn)學(xué)習(xí)各單元電路的工作原理、邏輯符號(hào)及邏輯功能;⑶電路的分析與設(shè)計(jì)方法：組合電路的分析方法、設(shè)計(jì)方法、時(shí)序電路的分析方法，重點(diǎn)學(xué)習(xí)組合電路的特點(diǎn)、分析方法和設(shè)計(jì)方法，時(shí)序電路的特點(diǎn)、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(jì)數(shù)器、寄存器、555定時(shí)器、555定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器、555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、555定時(shí)器組成的多諧振蕩器、數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器，重點(diǎn)學(xué)習(xí)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(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 模塊特點(diǎn)剖析

模塊一：分析與設(shè)計(jì)工具，即數(shù)字電路的分析與設(shè)計(jì)工具——邏輯代數(shù)。重點(diǎn)學(xué)習(xí)邏輯函數(shù)表達(dá)式形式，包括與或式、與非式、最小項(xiàng)形式，邏輯代數(shù)的基本定律和定理，邏輯關(guān)系的描述方法及相互轉(zhuǎn)換，邏輯函數(shù)的化簡方法。本模塊要求學(xué)員必須掌握邏輯函數(shù)表達(dá)式的形式和相互轉(zhuǎn)換的方法，邏輯關(guān)系的描述方法和互相轉(zhuǎn)換的方法，能夠利用邏輯代數(shù)的基本定律和定理對(duì)邏輯函數(shù)進(jìn)行化簡和變換。這部分內(nèi)容難度不大，但是需要學(xué)員深入理解，熟練掌握，并且能做到靈活運(yùn)用。

模塊二：基本單元電路，即本課程的基礎(chǔ)，是構(gòu)成功能電路的基本單元。包括門電路、鎖存器和觸發(fā)器，重點(diǎn)學(xué)習(xí)與門、或門、非門、與非門、或非門、同或門、異或門，CMOS三態(tài)門、CMOS傳輸門和TTL門電路;或非門構(gòu)成的基本SR鎖存器、與非門構(gòu)成的基本SR鎖存器、門控D鎖存器;D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器、T觸發(fā)器和觸發(fā)器的功能轉(zhuǎn)換。本模塊要求學(xué)員必須掌握各種門電路、鎖存器和觸發(fā)器的工作原理、邏輯符號(hào)及邏輯功能。這部分內(nèi)容涉及的電路結(jié)構(gòu)多種多樣，工作原理和邏輯功能也各不相同，內(nèi)容相對(duì)枯燥、抽象。教員在講解及學(xué)員在學(xué)習(xí)這一部分內(nèi)容時(shí)，必須清楚意識(shí)到這是課程的核心基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)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(shè)計(jì)方法。數(shù)字系統(tǒng)中常用的各種數(shù)字部件，就其結(jié)構(gòu)和工作原理而言可以分為兩大類：即組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。該模塊主要討論的就是組合電路和時(shí)序電路的分析與設(shè)計(jì)方法，涉及的內(nèi)容有：組合邏輯電路的概念、特點(diǎn)、電路的分析和設(shè)計(jì)方法，時(shí)序邏輯電路的概念、分類、特點(diǎn)、電路的分析方法。這部分涉及的概念、電路都很多，對(duì)于初學(xué)者而言，容易出現(xiàn)畏難情緒，在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容的同時(shí)，教員應(yīng)該設(shè)法激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)熱情，提升他們的學(xué)習(xí)自信心。

模塊四：典型功能電路，即該課程中具有實(shí)際功能的電路。重點(diǎn)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(yīng)用也非常靈活，可以實(shí)現(xiàn)任意邏輯函數(shù)和組合邏輯電路，對(duì)于初學(xué)者而言，存在一定難度。計(jì)數(shù)器、寄存器屬于時(shí)序邏輯電路中的功能電路，這部分內(nèi)容是本門課的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，計(jì)數(shù)器、數(shù)碼寄存器、移位寄存器，環(huán)形計(jì)數(shù)器等典型功能電路涉及的基本概念、邏輯功能較多，學(xué)員在學(xué)習(xí)的過程中極易混淆，學(xué)習(xí)起來較吃力。555定時(shí)器及其組成的三種應(yīng)用電路、數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這些功能電路中既含有數(shù)字電路又有模擬電路，屬于模擬電路和數(shù)字電路的綜合應(yīng)用電路，電路的組成和工作原理中涉及的內(nèi)容較多，考驗(yàn)學(xué)員對(duì)已學(xué)知識(shí)的掌握和靈活運(yùn)用的情況。該模塊中包含的各種功能電路大多數(shù)都有集成芯片產(chǎn)品，因此，在學(xué)習(xí)本模塊時(shí)教員要強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)方法，為學(xué)員提供動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

3 高階課堂開展的策略研究

依據(jù)《數(shù)字電路》課程各模塊內(nèi)容的特點(diǎn)，參考“高階課堂”開展的方式、方法，《數(shù)字電路》高階課堂的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)如下：

3.1 基礎(chǔ)理論、基本單元電路

基礎(chǔ)理論和基本單元電路是針對(duì)《數(shù)字電路》課程模塊一和模塊二的內(nèi)容?！稊?shù)字電路》課程的基礎(chǔ)理論較多，但是難度不大，如果教員能在課前給出明確的預(yù)習(xí)目標(biāo)，學(xué)員通過自學(xué)，是可以完成這部分教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)的。因此，針對(duì)這部分內(nèi)容建議采用翻轉(zhuǎn)課堂的授課形式，將課堂上的主動(dòng)權(quán)從教員轉(zhuǎn)移給學(xué)員，但是為了強(qiáng)化內(nèi)容，幫助學(xué)員掌握重難點(diǎn)，提高學(xué)員舉一反三的能力，可以增加隨堂測(cè)驗(yàn)的環(huán)節(jié)。

單元電路是構(gòu)成功能電路的基石，是數(shù)字電路的基礎(chǔ)。其中除了有部分的理論知識(shí)、學(xué)科常識(shí)以外，均是各單元電路的相關(guān)內(nèi)容。教材上、網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)資料中關(guān)于各單元電路相關(guān)內(nèi)容的介紹相當(dāng)詳細(xì)，可以以學(xué)員自學(xué)為主，然后采用翻轉(zhuǎn)課堂等形式檢驗(yàn)學(xué)員的學(xué)習(xí)效果;對(duì)于單元電路的應(yīng)用部分可以課下組織學(xué)員查資料或者課堂上以討論、測(cè)驗(yàn)等形式開展。兩個(gè)模塊內(nèi)容的具體的開展方法和能力培養(yǎng)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(duì)《數(shù)字電路》課程模塊三和模塊四的內(nèi)容?！稊?shù)字電路》課程的基本方法是分析和設(shè)計(jì)數(shù)字電路的方法，是本課程的核心內(nèi)容。組合電路和時(shí)序電路的分析、設(shè)計(jì)方法是固定的，但是具體的案例非常多，靈活多變。對(duì)于方法的學(xué)習(xí)，可以以學(xué)員自學(xué)為主，然后采用翻轉(zhuǎn)課堂等形式檢驗(yàn)學(xué)員的學(xué)習(xí)效果;對(duì)于不同案例的分析和設(shè)計(jì)，可以參考基于項(xiàng)目式的教學(xué)方法;由于該部分內(nèi)容涉及的案例均為實(shí)際應(yīng)用電路，可以依據(jù)具體案例讓學(xué)員利用軟件仿真或者搭建實(shí)物電路的方法設(shè)計(jì)出電路。

功能電路是本課程中可以實(shí)現(xiàn)具體功能的數(shù)字電路，屬于對(duì)前面三個(gè)模塊內(nèi)容的綜合與應(yīng)用。功能電路部分涉及的電路結(jié)構(gòu)多、功能原理多、應(yīng)用靈活，是本課程的難點(diǎn)所在。對(duì)于功能電路的電路組成、工作原理建議以翻轉(zhuǎn)課堂的形式開展，功能電路的應(yīng)用可以學(xué)員課下搜集資料、課上展示討論，也可以教員提出任務(wù)，學(xué)員集體討論，給出方案等多種形式開展。為了幫助學(xué)員把握重難點(diǎn)內(nèi)容，可以進(jìn)行隨堂測(cè)驗(yàn)。本課程貼近實(shí)際應(yīng)用的功能電路基本都在本模塊給出，可以組織學(xué)員利用軟件仿真或者搭建實(shí)物電路的方法設(shè)計(jì)出具體電路，提升學(xué)員的學(xué)習(xí)自信心和學(xué)習(xí)樂趣。開展方法和能力培養(yǎng)情況如表2所示。

4 結(jié)束語

雖然國內(nèi)外對(duì)高階思維理論的研究較多，對(duì)高階課堂的推崇也較強(qiáng)，但是針對(duì)具體課程探索建設(shè)高階課堂的案例寥寥無幾，本文以《數(shù)字電路》課程為依托，以高階學(xué)習(xí)作為主要參照標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)思教學(xué)活動(dòng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，構(gòu)建《數(shù)字電路》高階課堂，提高學(xué)員的高階思維能力和綜合素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2021-08-31

基金項(xiàng)目：本文獲得海軍大連艦艇學(xué)院基礎(chǔ)部2020年度科研預(yù)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(xué)院基礎(chǔ)部，助教，碩士，主要從事電工電子技術(shù)方面的教學(xué)。