探究式学习方法在数字电路教学中的应用

宝鸡文理学院物理与光电技术学院 周新淳



探究式学习方法在数字电路教学中的应用

宝鸡文理学院物理与光电技术学院 周新淳

【摘要】本文对高校工科类数字电路课程的传统教学模式的优劣进行深入分析,指出引进探究式教学模式的必要性。再以教学实践经验为依据，具体讲述了这一教学方法在数字电路教学中的实施步骤及过程,并给出具体实例。本文的教改实践可作为高校其他课程开展探究式教学的方法借鉴。

【关键词】探究式教学方法；数字电路；Multisim；抢答器

1　引言

数字电子技术是高校工科类硬件体系最基础的课程，在很多高校都是作为一门专业核心课程开设。是连接前导课程电路分析和后续课程微机原理、单片机、FPGA等课程的桥梁。也是学生以后进行电子设计制作类竞赛的基础[1]。

数字电路理论性较强，逻辑思维严密，传统教学都是以理论讲授为主，实验课程为辅，而且实验大都是验证性实验。这种教学方法优点是理论突出，逻辑性好，各章节知识脉络清晰，但同时这种教学方法也存在一些弊端，比如学生缺乏创新思维，把理论转化为实践的能力也较差。这与当前新的人才培养模式不符。现在也有一种称之为“项目教学法”的新教学模式[2]，这种方法实践性强，对学生的创新思维启发也有一定的引导，但是这种方法的完全实施要和整个课程的考核方案相配合，而且这种方法对学生的自学能力要求也很高。所以并不完全适应于大部分工科院校。基于此，本文提出一种新的教学方法——探究式学习。

2　探究式教学方法的实施

探究式学习以理论教学为主，在教学过程中，对部分章节或者主要内容采用提出问题、设计方案、发现新问题、改进方案等步骤，在一步步解决问题的过程中巧妙的将知识点融于，与学生充分讨论，激发兴趣，引导思维。并在对应实验课程中对课堂教学成果加以验证，将传统的实验由验证理论改进为验证不同的设计方案，有条件的学校还可以辅以设计性实验以及综合性实验，对部分项目进行延伸[3]。

下面以数字电路中触发器一章作为例子，详细介绍探究式教学法的应用。

（1）提出问题

触发器最先研究的是SR锁存器，在对锁存器做功能上的讲解和分析后，最主要的是告诉这个器件和前几章所学门电路的区别，还有SR锁存器的实际用途有什么。为了更清楚的认识锁存器的作用，在这里，我们可以提出设计一个抢答器的要求。

（2）设计方案

抢答器对抢答结果应该有维持作用，而门电路则无法实现，而用SR锁存器可以实现两个选手的正常抢答并保存结果，如图1所示。在这个电路中，用开关S1和S2代表两个选手，用LED1和LED2代表抢答结果。哪个选手抢答到则该选手对应的LED亮。

图1　SR锁存器构成双人抢答器Fig.1 2-Line answering racer based on SR-latch

（3）分析问题

图1所示抢答器可以完成抢答器的基本功能，但是和实际抢答器相比，还存在以下几个问题：

1）没有主持人控制端，主持人无法进行抢答的时间控制。

2）只能进行两人抢答，多人抢答无法解决同步问题。

这个问题不仅是抢答器的弊端，同时也是SR锁存器的不足，为了改进这些问题。我们可以顺理成章的引出下一节内容，电平触发的触发器[4]。

（4）改进方案

电平触发的触发器增加了CLK时钟信号，在CLK为高电平的时候允许触发器动作，而在CLK为低电平时维持触发器输出不变，利用这一特性，可以进入主持人按键，用来控制CLK的高低电平。如图2所示。S3处为主持人控制按键，平时置于低电平，用来锁存两个触发器，是触发器输出均为0。开始抢答时，将开关置于高电平。S1和S2为选手按键，平时置于低电平，抢答时按下按键时接高电平，则相应输出为1，对应的LED灯亮。此方案不但解决了主持人控制问题，而且可以进行多人抢答，只要增加相应的SR触发器就可以了。

图2　同步触发器构成的抢答器电路Fig.2 Responder circuit synchronization of flip flops

图3　双人抢答器电路Fig.3 circuit of 2-Line answering racer Responder

但是这个电路仍然存在一些问题，比如说在主持人高电平持续期间，选手反复按键会引起输出LED灯反复变化，从而失去抢答器的作用。正在的抢答器电路需要允许触发器动作的时间越短越好，而且一旦有任何一个触发器输出高电平，就应该及时封锁电路。为了解决这个问题提出新的改进方案，同时引入下一节教学内容---带异步复位端的触发器以及边沿触发器[5]。

（5）最终方案

边沿触发器的引入，可以解决触发器的有效触发时间过长的问题，并且将主持人按键移至每个触发器的异步复位端，则可以更有效的控制整个电路。电路如图3所示。这个电路中，主持人按键S1接每个触发器的异步复位端，平时接高电平，当抢答开始时接低电平。边沿JK触发器的K端口接低电平，当J端接高电平是触发器输出1，对应的灯亮。为了在任意一个选手抢答后可以锁存电路，这里巧妙的将每个触发器的输出Q’用与门接出，和信号发生器的方波信号相与后送入每个触发器的时钟端，则当有任意一个触发器输出为1时，则将CLK置0，从而达到封锁电路，保持输出的目的。如果要增加抢答人数，则只要增加JK触发器就可以了[6]。

3　结束语

探究式教学方法，可以从一个具体问题出发，既可以很好的调动起学生的积极性，让学生参与设计，又可以巧妙的将教学内容融入其中，在一步步解决问题的过程中逐渐引入新课，介绍新知识，起到一举多得的作用。在作者多年的教学过程中，收到了良好的教学效果。

参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2005.

[2]白顺先,樊荣.项目教学法在《数字电子技术》课程中的探索[J].现代计算机,2015年第10期,P26-29.

[3]张学成.数字电子技术实验改革与创新[J].实验室研究与探索,2011,8.

[4]宋瑾.基于Multisim 10的8路彩灯控制系统设计与仿真[J].电子设计工程,2014,22(7):113-116.

[5]周新淳.基于Multisim的拔河游戏机设计与仿真[J].电子设计工程,2015,23(13):34-36.

[6]胡文龙.基于CDIO的工科探究式教学改革研究[J].高等工程教育研究,2014-1:163-168.

周新淳（1983—），男，陕西宝鸡人，硕士，讲师，研究方向：信号与信息处理、电路与系统。

作者简介：

基金项目：本文系宝鸡文理学院院级重点项目（项目编号：ZK11145）。