“組合邏輯電路的設計與實現”微課教學設計和反思

陳 丹 戴仁俊

（江蘇理工學院<計算機工程學院>，江蘇 常州 213001）

0 引言

數字邏輯與設計是計算機科學與技術本科專業的專業主干課程。通過本課程的學習，培養學生分析數字電路的邏輯功能、設計具有特定邏輯功能的具體線路及集成電路的典型應用的能力，為學生今后學習相關計算機的硬件和接口知識打下良好的基礎。

1 微課教學概述

微課是互聯網時代的全新教學手段，通過教學視頻，全面體現教學設計、教學素材和教學反思。單個微課視頻約5～10分鐘，時間短、內容精，能在有限的時間內突出重要知識點，符合學生認知規律。單個微課視頻容量較低，微視頻配套輔助資源不超100 MB，學生可通過智能手機或ipad等移動設備，在任何時間、任何地點觀看，實現移動學習[1]。

“組合邏輯電路設計與實現”微課屬于數字邏輯與設計課程中第四章組合邏輯電路的核心內容，具有交叉性、實踐性和承上啟下的特點，其前導知識點包括邏輯代數及邏輯函數的化簡、集成門電路、組合邏輯電路分析等，后續知識點包括常用組合邏輯電路模塊等。

由于該知識點的重要性，在教學設計過程中利用實際生活中常見的實例，以情景導入、提出問題、分析問題（新知剖析）、解決問題（實驗驗證）、問題拓展等環節展開教學，教學中在將實際案例、課程知識和操作實踐三者結合起來，進一步深刻加深學生對組合邏輯電路設計這個知識點的理解和掌握。

2 “組合邏輯電路的設計與實現”教學目標和方法

組合邏輯電路的設計與實現教學目標主要體現在以下幾個方面：（1）掌握組合邏輯電路的設計步驟；（2）鞏固真值表、卡諾圖化簡、德摩根定律、門電路等知識；（3）熟悉組合邏輯電路的仿真方法；（4）熟悉組合邏輯電路的實驗方法；（5）培養分析和解決實際邏輯問題的能力。

本微課采用情景導入→提出問題→分析問題（新知剖析）→解決問題（實驗驗證）→拓展問題的問題求解教學方法，將知識傳授融入到實際案例問題的求解過程中。通過日常生活中常見的實例引入本次微課的內容，用這個案例問題驅動學生思考和學習，在對問題進行分析的過程中，引入組合邏輯電路的設計思路，并通過不斷提問解疑的過程一步一步解決問題，過程中理論結合實踐，用仿真和實驗的手段體現了教學實驗一體的教學方法。

3 教學過程設計

本微課的教學過程設計包括以下五個部分：情景導入、提出問題、分析問題（新知剖析）、解決問題（實驗驗證）、拓展問題。具體如下。

3.1 情景導入

通過觀看一段電視選秀視頻情景導入，如圖1所示，提出在日常生活中一些場合運用某些控制電路來決定事件的結果，引起學生興趣，有了對具體邏輯問題的邏輯關系的初步認識。例如：設計三人表決電路（A、B、C）。每人一個按鍵，如果同意則按下，不同意則不按。結果用指示燈表示，多數人同意時指示燈亮，否則不亮。試采用合適的門電路實現。

3.2 提出問題

根據電視選秀視頻情景提出如何設計實現一個“少數服從多數”的三人表決電路。給出實際邏輯問題。首先指明邏輯符號“0”“1”取值含義。輸入：三個按鍵A、B、C，按下時為“1”，不按時為“0”。輸出：評判結果L，多數同意時為“1”，否則為“0”。

3.3 分析問題（新知剖析）

分析“三人表決電路”的實際邏輯問題，對邏輯變量進行賦值；（1）根據邏輯關系，寫出真值表；（2）由真值表自然寫出邏輯函數表達式，用工程上設計要求“三少”引導學生對函數表達式進行化簡；（3）利用卡諾圖進行化簡后得出此最簡表達式，利用德摩根定理變換表達式，得出第二種的表達式，提出問題，例題要求用合適的門電路實現，哪種電路更合適呢？讓學生思考并得出用哪種更合適；（4）選擇更合適的電路后就可以畫出其邏輯電路圖；（5）總結組合邏輯設計的步驟，并闡述這五個步驟。

3.4 解決問題（實驗驗證）

利用提出問題“所設計的電路能否正常工作？”，指出工程中常用仿真軟件來仿真設計好的電路，并利用仿真驗證了所設計的電路的正確性。如圖1仿真演示圖，用波形圖反映邏輯關系。

圖1 仿真演示

采用實際的與非門芯片在實驗箱上實驗演示了整個電路的邏輯關系，實現了例題中的三人表決電路。如圖2實驗現象演示，靜態邏輯輸出和輸入，是用來模仿傳統實驗箱的按鍵和數碼管、LED燈，慢速時可以人眼觀察。

圖2 實驗現象演示

設計、仿真、實驗全部完成后，真正解決了實際邏輯問題。完成知識提升，對課堂學習進行小結：首先掌握組合邏輯電路設計的五個步驟；其次熟悉組合邏輯電路仿真和實驗的方法；最后，提出要求學生熟練掌握以上方法，可以舉一反三設計出其他功能的組合邏輯電路。

3.5 拓展問題

結合本次課學習的知識，進一步鞏固所學新知識，提出要求設計另一個日常生活中常見的控制電路的任務，并給出三點要求提示學生。

4 教學反思

本微課采用情景導入→提出問題→分析問題（新知剖析）→解決問題（實驗驗證）→拓展問題的問題求解教學方法，將知識傳授融入到實際案例問題的求解過程中。將實際應用問題簡單化、設計步驟具體化、工程設計要求落實化，內容充實，重點突出、視頻生動，突破傳統灌輸式教學，以問題求解方式將新授知識和實際問題相結合，培養學生復合能力；運用多種媒體，形象化表現教學內容；與課堂不同，微課教學更加注重引導培養學生自主學習解決問題的能力[2-4]。因此，通過以上教學方法和教學手段，激發了學生學習興趣，培養了學生獨立思考、解決問題的能力，同時也提高了學生工程設計和應用的能力。

根據工程教育專業認證的人才培養規格，計算機學科特點決定了培養學生實踐動手能力是主線，將理論教學貫穿于實踐操作能力培養過程中[5]，課內課外緊密結合，全面提高學生的數字邏輯與設計能力：（1）教學資源的創新。教師通過微課資源，將工程教育專業認證標準融入教學，對教學內容的深度和廣度進行合理延伸和豐富，將理論知識點拓展成學生“實際、實用、實踐”的知識點，并融入學生感興趣的知識點，啟發學生思維，使專業技能和崗位需求更加匹配[6]。（2）教學模式的創新。開展翻轉課堂，實現知識輸入在課外、內化運用在課內的高效率教與學，即線上學習與面授課程相結合的混合式教學模式，改變以教師為中心的先輸入再輸出的學習順序，嘗試先完成輸出任務，待發現不足后再進行有針對的輸入學習。

通過課題研究，以實用為主、以應用為目的，深入研究數字邏輯與設計課程教學改革，在課堂外學習、在課堂中實踐、在行業企業中檢驗。依托超星數字資源平臺建設微課資源，進一步提升教師的教學能力，助推課程資源開放共享，實現教學現代化。通過“微課+翻轉課堂”的教學改革，貼近行業發展，關注教學的交際性、實踐性、實用性，提高學生計算機應用能力和職業能力。學生通過微課資源，線上線下同步學習，學習主動性增強，自學效率提高。教學管理部門和相關研究單位基于微課資源加快創新人才培養，共享教師資源，提升教師信息化水平，提高學生綜合素養。