機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)“電工與電子技術(shù)”課程教學(xué)實(shí)踐與探索*
——以“組合邏輯電路設(shè)計(jì)”章節(jié)中“三人表決器”的設(shè)計(jì)為例

秦 鵬，靳國(guó)寶，章樂(lè)樂(lè)，吳澤鵬，孫 碩，唐 健

（巢湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 238000）

隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)“電工與電子技術(shù)”課程教學(xué)面臨著多方面的挑戰(zhàn)。作為實(shí)現(xiàn)立德樹(shù)人的根本舉措，在“電工與電子技術(shù)”課程日常教學(xué)中引入課程思政，顯得尤為重要。對(duì)于高校而言，課程思政主要從思想政治課、專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)課和專(zhuān)業(yè)教育課3個(gè)方面完成，三者相輔相成[1-2]。與思想政治課程不同，專(zhuān)業(yè)教育課程中的課程思政教學(xué)要與專(zhuān)業(yè)知識(shí)相關(guān)聯(lián)，是在專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上合理發(fā)散，要實(shí)現(xiàn)“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的教育。具體到“電工與電子技術(shù)”課程中，因課程內(nèi)容、定位和教學(xué)目標(biāo)等不同，實(shí)施課程思政的方法和手段也不同[3-4]。

1 課程介紹

電類(lèi)技術(shù)發(fā)展日新月異，應(yīng)用極為廣泛，在我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)中占有重要地位。因此，在很多本科學(xué)校工科機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)中都會(huì)開(kāi)設(shè)“電工與電子技術(shù)”課程，并將其定位為實(shí)踐性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程?！半姽づc電子技術(shù)”課程內(nèi)容包括電路分析、模擬電路和數(shù)字電路三部分[5-6]。在實(shí)際教學(xué)中，從“電工與電子技術(shù)”與學(xué)科專(zhuān)業(yè)、科研生產(chǎn)需要之間的關(guān)聯(lián)切入，引導(dǎo)學(xué)生真實(shí)地學(xué)習(xí)知識(shí)、了解原理、掌握規(guī)律，并得到基本技能的訓(xùn)練，同時(shí)在課程講授中有機(jī)融合課程思政，旨在培養(yǎng)機(jī)械類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生解決涉及電工電子技術(shù)實(shí)際問(wèn)題的能力，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感，提高環(huán)保意識(shí)，感悟家國(guó)情懷，樹(shù)立正確的科學(xué)觀(guān)，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從事本專(zhuān)業(yè)的工程技術(shù)工作和科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。

2 學(xué)情分析

“電工與電子技術(shù)”課程開(kāi)設(shè)在本科第4學(xué)期，通過(guò)本科前3個(gè)學(xué)期如“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”等先修課程的研修，學(xué)生有了一定的電學(xué)和物理學(xué)基礎(chǔ)，思維相對(duì)活躍，樂(lè)于實(shí)踐，動(dòng)手能力較強(qiáng)。結(jié)合之前電路、模擬電子技術(shù)和基本邏輯代數(shù)部分的學(xué)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)課的練習(xí)，學(xué)生也已經(jīng)基本掌握了數(shù)字電路中邏輯門(mén)的功能、組合邏輯電路的特點(diǎn)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(shè)計(jì)”屬于“數(shù)字電子技術(shù)”部分對(duì)邏輯門(mén)電路的綜合使用，需要學(xué)生能把具體問(wèn)題抽象為邏輯函數(shù)，并且通過(guò)邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)具體功能，難度相對(duì)較大。如果采用傳統(tǒng)的純理論推導(dǎo)，極易挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，影響后面知識(shí)的學(xué)習(xí)效果。因此，在課堂教學(xué)中可以采用“教師引導(dǎo)，學(xué)生主體”的模式，充分利用學(xué)生好奇、好學(xué)和好強(qiáng)的心理特點(diǎn)，以“三人表決器”的設(shè)計(jì)這一生活實(shí)際問(wèn)題作為載體進(jìn)行講解，結(jié)合Multisim電路仿真軟件將電路設(shè)計(jì)的結(jié)果可視化[7]，并及時(shí)地鞏固課堂知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生“組合邏輯電路設(shè)計(jì)”的專(zhuān)項(xiàng)能力。

3 教學(xué)目標(biāo)

作為對(duì)組合邏輯電路基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用，“組合邏輯電路設(shè)計(jì)”章節(jié)教學(xué)目標(biāo)可分為知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)以及思政育人目標(biāo)三部分，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 “組合邏輯電路設(shè)計(jì)”教學(xué)目標(biāo)分解表

4 具體授課內(nèi)容

為了達(dá)到既定的教學(xué)目標(biāo)和課程思政要求，需要對(duì)“組合邏輯電路設(shè)計(jì)”的具體授課流程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。整個(gè)流程如圖1所示，教學(xué)過(guò)程分為復(fù)習(xí)、新課學(xué)習(xí)和總結(jié)鞏固三大部分，每個(gè)部分都有對(duì)應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行內(nèi)容展開(kāi)，總計(jì)7個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)[8-9]。

圖1 “組合邏輯電路設(shè)計(jì)”教學(xué)流程圖

4.1 復(fù)習(xí)部分

第一部分是對(duì)先學(xué)知識(shí)和內(nèi)容的回顧，對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)①：已學(xué)內(nèi)容復(fù)習(xí)，主要是關(guān)于本章節(jié)要用到的組合邏輯代數(shù)的基本定律。具體理論教學(xué)內(nèi)容如表2所示。

表2 “組合邏輯電路設(shè)計(jì)”理論教學(xué)內(nèi)容

4.2 新課學(xué)習(xí)部分

本次教學(xué)設(shè)計(jì)將新課學(xué)習(xí)分為理論部分、實(shí)例應(yīng)用和課程思政三部分，對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)②到⑥，涉及一般組合邏輯電路的設(shè)計(jì)要求、步驟，以“三人表決器”為案例的具體電路設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證和改進(jìn)以及由此啟發(fā)的課程思政。

4.2.1 理論部分

具體落實(shí)到教學(xué)過(guò)程中，首先把環(huán)節(jié)②一般組合邏輯電路的設(shè)計(jì)要求和環(huán)節(jié)③一般組合邏輯電路的設(shè)計(jì)步驟等抽象及概括性的內(nèi)容直接分享給學(xué)生，其具體教學(xué)內(nèi)容如表2所示。

4.2.2 實(shí)例應(yīng)用

對(duì)照理論部分的內(nèi)容，并以“三人表決器”為例，完成環(huán)節(jié)④具體電路即“三人表決器”的設(shè)計(jì)和環(huán)節(jié)⑤具體電路即“三人表決器”的功能驗(yàn)證及改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)從“抽象內(nèi)容概括”到“具體案例應(yīng)用”過(guò)渡，并對(duì)“抽象內(nèi)容概括”進(jìn)行反饋的閉環(huán)。教學(xué)環(huán)節(jié)④和教學(xué)環(huán)節(jié)⑤是具體實(shí)例的應(yīng)用，在教學(xué)設(shè)計(jì)上應(yīng)及時(shí)地有機(jī)結(jié)合時(shí)事和教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)情境如下：2022年北京冬奧會(huì)，某個(gè)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目有三名裁判（A、B和C），以少數(shù)服從多數(shù)的原則判定選手能否通過(guò)。假設(shè)學(xué)生是電子設(shè)計(jì)師，為評(píng)判環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)一個(gè)電路，要求能夠體現(xiàn)裁判判定和選手是否過(guò)關(guān)之間的邏輯關(guān)系。

對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析是：三名裁判（A、B和C）的意見(jiàn)相互獨(dú)立，每名裁判的意見(jiàn)只有“同意”和“不同意”兩種，按照排列組合的規(guī)律，不難發(fā)現(xiàn)，總共有2*2*2，即8種意見(jiàn)，按照題目中的少數(shù)服從多數(shù)的原則，也就是說(shuō)，三名裁判有兩名或者兩名以上認(rèn)可，那么結(jié)果L即為“通過(guò)”，反之則為“不通過(guò)”，由此，可以得到如表3所示的邏輯關(guān)系分析表。

表3 “三人表決器”邏輯關(guān)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(guò)組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)，則需對(duì)輸入信息，即三名裁判（A、B和C）的意見(jiàn)和輸出信息，即評(píng)定信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為邏輯電路能夠處理的0和1。因此進(jìn)行如下約定：對(duì)于三名裁判（A、B和C）的輸入信號(hào)，“同意”為“1”，“不同意”則為“0”。對(duì)于評(píng)定結(jié)果：“通過(guò)”為“1”，“不通過(guò)”則為“0”，經(jīng)過(guò)這樣的邏輯約定之后，先前的邏輯關(guān)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(shè)計(jì)的第一步。

表4 “三人表決器”邏輯真值表

第二步：邏輯表達(dá)式。通過(guò)觀(guān)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(gè)并集，對(duì)應(yīng)到邏輯代數(shù)里，就是“邏輯或”起來(lái)就可以，結(jié)果如式（1）所示。

第三步：邏輯電路圖。根據(jù)式（1），選擇合適的基本邏輯門(mén)元件，在Multisim仿真軟件中直接構(gòu)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(guò)三輸入與門(mén)，以及四輸入或門(mén)，同時(shí)兼顧結(jié)果的直觀(guān)性和可視化，為了讓結(jié)果更加直觀(guān)，在這里，課題組加上了ALight、BLight、CLight和YLight作為輸入信號(hào)和成績(jī)的判定。當(dāng)信號(hào)是1時(shí)，燈亮；當(dāng)信號(hào)是0時(shí)，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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，用到的邏輯門(mén)器件也很多，所以需要對(duì)邏輯門(mén)電路進(jìn)行化簡(jiǎn)，過(guò)程如圖3所示。化簡(jiǎn)之后的結(jié)果簡(jiǎn)單很多，在Multisim仿真軟件中，將A、B和C三個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行兩兩相與，再通過(guò)一個(gè)三輸入的或門(mén)，就可以實(shí)現(xiàn)邏輯功能，改進(jìn)后的“三人表決器”電路圖如圖4所示，再引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)圖3所示的所有輸入組合，驗(yàn)證輸出結(jié)果是否與預(yù)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(dá)式化簡(jiǎn)過(guò)程圖

圖4 改進(jìn)后的“三人表決器”電路圖

4.2.3 課程思政展開(kāi)

教學(xué)環(huán)節(jié)⑥課程思政展開(kāi)是針對(duì)本章節(jié)的課程內(nèi)容，合理提取所涉及的思政要素。與思想政治課不同，專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)中，要避免重復(fù)、老套和生硬地融入思政要素，可以通過(guò)知識(shí)關(guān)聯(lián)、案例分析合理提取所涉及的思政要素，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)課程思政育人的目的[10]，具體到“組合邏輯電路的設(shè)計(jì)”這一章節(jié)中，可以從以下方面展開(kāi)課程思政。

1）“三人表決器”的邏輯表達(dá)式，可以通過(guò)L=AB+BC+AC，也可以通過(guò)L=A(B+C)+BC，還可以結(jié)合后續(xù)學(xué)習(xí)的74LS150八選一數(shù)據(jù)選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)，每種方式都有自己的優(yōu)點(diǎn)，在后續(xù)的學(xué)習(xí)中，應(yīng)廣開(kāi)思路，以包容的心態(tài)看待問(wèn)題，汲取他人設(shè)計(jì)的智慧。

2）在組合邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，每個(gè)基本邏輯門(mén)器件只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本功能，只有所有基本功能加在一起，才能構(gòu)成一套完整的邏輯電路，正如同學(xué)們的日常學(xué)習(xí)和生活都離不開(kāi)集體合作一樣。用集體精神引導(dǎo)學(xué)生正確看待個(gè)體與整體的辯證關(guān)系，充分發(fā)揮個(gè)人在集體中的作用，在提高集體凝聚力和綜合性創(chuàng)新能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)個(gè)人創(chuàng)造力和核心力的提升。

3）在組合邏輯電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，按照“提出需求”“問(wèn)題分析”“邏輯抽象”“具體實(shí)現(xiàn)”“電路改進(jìn)”和“新電路的具體實(shí)現(xiàn)”這樣的一個(gè)類(lèi)似于螺旋式上升的方式進(jìn)行，引導(dǎo)學(xué)生看待生活中的問(wèn)題要從辯證發(fā)展的角度出發(fā)，一步一個(gè)腳印踏實(shí)向上，從量變到質(zhì)變，又從質(zhì)變開(kāi)始新的量變，如此循環(huán)往復(fù)，終將實(shí)現(xiàn)自己的人生價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

4.3 總結(jié)鞏固部分

此部分對(duì)應(yīng)教學(xué)環(huán)節(jié)⑦章節(jié)內(nèi)容總結(jié)及作業(yè)布置。新課內(nèi)容教學(xué)完成之后，及時(shí)對(duì)本章節(jié)的“組合邏輯電路設(shè)計(jì)”的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié)，并設(shè)計(jì)相關(guān)題目，對(duì)已學(xué)內(nèi)容及時(shí)進(jìn)行鞏固。題目場(chǎng)景可以以“無(wú)償獻(xiàn)血”的背景知識(shí)進(jìn)行相應(yīng)的發(fā)散，點(diǎn)明“無(wú)償獻(xiàn)血”的社會(huì)意義，并且可以列舉本?；蛘邔W(xué)生周?chē)摹盁o(wú)償獻(xiàn)血”的實(shí)例，而后將題目展開(kāi)，再次呼應(yīng)課程思政的背景。具體題目場(chǎng)景如下：人的血型有A、B、AB、O四種。輸血時(shí)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(guān)系。試設(shè)計(jì)邏輯電路，判斷輸血者與受血者的血型是否符合上述規(guī)定。

圖5 “無(wú)償獻(xiàn)血”中的血型匹配規(guī)則關(guān)系圖

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)“電工與電子技術(shù)”課程，其知識(shí)點(diǎn)分散、內(nèi)容抽象，導(dǎo)致學(xué)生在理解和掌握上存在一定的難度。因此，“電工與電子技術(shù)”課程教學(xué)實(shí)踐可以結(jié)合具體應(yīng)用，從學(xué)生身邊的案例出發(fā)，結(jié)合時(shí)事作為題目背景進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，并且與課程思政進(jìn)行有機(jī)融合。對(duì)于專(zhuān)業(yè)課程的思政教育要做到“守好一段渠、種好責(zé)任田”，使專(zhuān)業(yè)課程與思政教育同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)，完成知識(shí)目標(biāo)和能力目標(biāo)的同時(shí)，也能夠順利達(dá)到思政教育的教學(xué)目的，進(jìn)一步提高“電工與電子技術(shù)”課程的教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)的人才質(zhì)量。