“简单的逻辑电路”教学的思考和建议

徐益勇

(温州市第五十一中学 浙江 温州 325014)

“简单的逻辑电路”是人教版高中《物理·选修3-1》第二章第11节的内容，讲述了数字电路中最基本最简单的3种逻辑电路(门电路)，虽然课程标准对本节要求较低，但是以数字信号为特征的现代信息技术正在迅猛发展.本节内容接轨数字化现代生活，也充分体现物理课程“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念. 本文就本节内容结合笔者的理解，提出有几点思考和建议以及具体课堂实践.

1 本课新课引入的思考

本节课常常用多媒体PPT 播放数码相机、条形码、遥控器或数字电视机等图片.教师介绍模拟信号和数字信号，然后引入新课.这样平淡无奇、无矛盾冲突的引课，而且数字信号和模拟信号学生又比较陌生，是很难吸引学生注意和激起学生兴趣的.如果本节新课引入，即简短又能够激发学生的认知冲突，引起学生积极思维，对于核心素养培养至关重要.

建议1：创设真实情境激发认知冲突

本课缺少相应的演示实验，笔者采用一种声光控组件，主要由声控输入模块、光控输入模块、延时电路模块、指示灯输出模块、电源模块、“与”门逻辑模块组成，其电路原理图及实物图如图1所示.当黑暗状态下，光敏电阻Rg阻值很大，A点处电压较高(被“与”门逻辑认为是信号1).当有声音时，通过驻极体话筒MC采集声音的振动信号，通过阻容耦合放大电路(由电阻和电容组成)和三极管进行放大，使B点处为高电平(被“与”门逻辑认为是信号1).只有当A与B输入都是信号1，“与”门逻辑电路输出Y才是高电平，发光二极管才会亮.上课实录如下.

图1 简单的逻辑电路引课实验

师：今天老师带来一个神奇的东西，看起来线路很复杂，我一喊它亮，它就亮.(大喊的同时，用手按住光敏电阻)

师：你来喊喊看.(递给学生,学生无法使二极管发亮)

师：为什么你喊它亮，它不亮，我一喊它亮，它就亮呢？学了今天的内容，我们就知道了.今天我们学习简单的逻辑电路.

2 本课教学过程的思考

2.1 稳恒电路类比逻辑电路进行教学造成认知错觉

对于本节的教学，习惯采用类比法，先总结稳恒电路中开关闭合和断开的不同情况与灯亮的关系,再进行逻辑电路的教学.然而逻辑电路的电路形式不同于稳恒电路的电路形式，它强调的是逻辑运算，不是电流与电压的关系，不再强调闭合回路的形式.它们是在不同的环境下完成不同的功能，它们之间没有共性.如果用稳恒电路的工作情况类比门电路，会给学生造成一种认知错觉，使学生把稳恒电路与逻辑电路某些方面等同起来.

2.2 开关通断代替真值“1”和“0”误解真值含义

以稳恒电路进行教学时，一般会定义开关的接通为1，定义开关的断开为0，灯泡的亮为1，灯泡的暗为0，从而学生误解了逻辑电路中真值的含义.在逻辑电路中不能以开关的通断来定义真值1和0，逻辑电路主要是对输入端的电平(电势)高低作出反应，所以对于输入端只有两种状态：高电平与低电平，输出端也是两种状态：信号的有无或者电平的高低，一般定义高电平为“1”，低电平为“0”.因此，课堂教学时，教师应交代清楚逻辑电路真值的含义，并指导学生按照二进制顺序填写真值表，从而找出逻辑电路的逻辑功能.

2.3 课程内容要求不高忽视实验实践

虽然课程标准对本节要求较低，不是高中物理教学的重点，教师往往不重视本节内容而会急于讲解和分析，但是以数字信号为特征的现代信息技术正在迅猛发展，本节内容接轨数字化现代生活，而且学生第一次接触到逻辑电路,又缺乏相应配套的演示实验和学生实验，会造成学生的不适应和不理解.本节内容的目标只是对于简单的逻辑电路有简单了解，教师应做好演示实验，通过演示实验揭开逻辑电路的神秘面纱，组织学生进行分组实验，体会逻辑电路在日常生活中的应用，再做简单的分析和讲解.

建议2：学生列举生活实例，体会逻辑关系

在课堂教学时，可以采用设计稳恒电路引出逻辑关系，通过学生举例生活实例体会逻辑关系.不要从稳恒电路入手，定义开关的通断为真值1和0.上课实录如下.

师：所谓逻辑电路，是指具有相应逻辑关系的电路.下面我请大家设计一个电路，有2个开关、1个灯泡、1节电池、若干导线，要求满足2个开关都闭合，灯才会亮，等一下我请一个同学展示你设计的电路图.

师：这个开关与这个开关闭合是条件，灯亮是结果.我们把这种一个事件的几个条件都满足后，该事件才能发生的关系叫“与”逻辑关系.

师：其实生活中有很多事例能体现“与”逻辑关系.那在你的日常生活中有哪些事例可以体现“与”逻辑关系呢？(学生举例)

师：那有没有什么事情，只要一个条件满足就会发生的.我请同学举例子看看.

建议3：演示与学生实验结合，激活学生思维火花

本节内容可以采用门电路演示器，如图2所示，学生通过生活实例体会逻辑关系后，再用门电路演示器，对3种不同的简单逻辑电路进行实验演示，直观不同逻辑电路的逻辑功能，在教学过程中，教师交代清楚真值的含义和真值表的填写顺序.对于简单的逻辑电路有一定的了解之后，可以安排学生进行分组实验“视力保护提醒器”，让学生经历逻辑电路在实际生活中的应用，体现物理课程“从生活走进物理，从物理走向社会”的理念.

图2 门电路演示器

演示实验部分：

教师演示将“与”门元件放入演示器相应位置，让学生判断元件输入端的电势高低.并通过学生分析两个输入端不同输入情况组合，通过用电器工作情况获知输出端电势的高低.

师：我们采用二进制1和0表示，把高电势用1表示，低电势用0表示.

师：我们把数字1和0叫做这个逻辑电路的真值.在这里它表示高电势与低电势，在其他情况下，它也可以表示真与假，或者有与无等一些对立的状态.我们把真值组成的表格叫真值表，真值表是包含各种可能性在内的逻辑关系表，它有两部分，一部分是所有输入的可能组合，另一部分是相应的输出.从这个真值表上可以看出什么时候输出才是高电势？(“或”门 和“非”门元件让学生代表来演示)

学生分组实验部分：

师：现在有这样一组套件如图3所示，它有过暗报警模块、过亮报警模块.RW1和RW2是可调的电位器，通过调节可以改变阻值，达到报警临界点.R1和R2是固定电阻，这里是光敏电阻Rg1和Rg2，还有“或”门逻辑电路以及信号处理报警输出模块和电源部分.请同学们正确用导线连接.并通过调试，在正常光照下不会报警，用手按住光敏电阻模拟过暗环境，用手电筒照射光敏电阻模拟过亮环境.(学生实验)

图3 视力保护提醒器实验

师：请同学们思考一个问题，为什么过亮或者过暗会报警呢？(学生根据电路图思考并在教师指导下回答)

本课虽然并非考试要求内容，但是本节内容体现了物理与现实生活的联系，如果采用本文的思考和建议，学生对“门电路”也就一定有了简单而又准确的了解.实验又是物理教学的基础,简短的引入创新实验，并通过演示和组织学生设计并安装简单的逻辑电路,激活学生思维火花，才能真正达到核心素养的培养.