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机械类专业“电工与电子技术”课程教学实践与探索*
——以“组合逻辑电路设计”章节中“三人表决器”的设计为例

2023-01-31靳国宝章乐乐吴泽鹏

南方农机 2023年3期
关键词:逻辑电路电工逻辑

秦 鹏,靳国宝,章乐乐,吴泽鹏,孙 硕,唐 健

(巢湖学院机械工程学院,安徽 合肥 238000)

随着信息化技术的高速发展,机械类专业“电工与电子技术”课程教学面临着多方面的挑战。作为实现立德树人的根本举措,在“电工与电子技术”课程日常教学中引入课程思政,显得尤为重要。对于高校而言,课程思政主要从思想政治课、专业素养课和专业教育课3个方面完成,三者相辅相成[1-2]。与思想政治课程不同,专业教育课程中的课程思政教学要与专业知识相关联,是在专业知识的基础上合理发散,要实现“润物细无声”的教育。具体到“电工与电子技术”课程中,因课程内容、定位和教学目标等不同,实施课程思政的方法和手段也不同[3-4]。

1 课程介绍

电类技术发展日新月异,应用极为广泛,在我国社会主义现代化建设中占有重要地位。因此,在很多本科学校工科机械类专业中都会开设“电工与电子技术”课程,并将其定位为实践性较强的专业技术基础课程。“电工与电子技术”课程内容包括电路分析、模拟电路和数字电路三部分[5-6]。在实际教学中,从“电工与电子技术”与学科专业、科研生产需要之间的关联切入,引导学生真实地学习知识、了解原理、掌握规律,并得到基本技能的训练,同时在课程讲授中有机融合课程思政,旨在培养机械类相关专业学生解决涉及电工电子技术实际问题的能力,增强社会责任感,提高环保意识,感悟家国情怀,树立正确的科学观,为学习后续课程以及从事本专业的工程技术工作和科学研究打下基础。

2 学情分析

“电工与电子技术”课程开设在本科第4学期,通过本科前3个学期如“高等数学”“大学物理”等先修课程的研修,学生有了一定的电学和物理学基础,思维相对活跃,乐于实践,动手能力较强。结合之前电路、模拟电子技术和基本逻辑代数部分的学习以及实验课的练习,学生也已经基本掌握了数字电路中逻辑门的功能、组合逻辑电路的特点和分析方法以及Multisim电路仿真软件的使用方法,具有初步的电路搭接能力和电路故障分析排查能力。

“组合逻辑电路设计”属于“数字电子技术”部分对逻辑门电路的综合使用,需要学生能把具体问题抽象为逻辑函数,并且通过逻辑电路来实现具体功能,难度相对较大。如果采用传统的纯理论推导,极易挫伤学生的学习兴趣,影响后面知识的学习效果。因此,在课堂教学中可以采用“教师引导,学生主体”的模式,充分利用学生好奇、好学和好强的心理特点,以“三人表决器”的设计这一生活实际问题作为载体进行讲解,结合Multisim电路仿真软件将电路设计的结果可视化[7],并及时地巩固课堂知识,培养学生“组合逻辑电路设计”的专项能力。

3 教学目标

作为对组合逻辑电路基础知识的综合应用,“组合逻辑电路设计”章节教学目标可分为知识目标、能力目标以及思政育人目标三部分,具体内容如表1所示。

表1 “组合逻辑电路设计”教学目标分解表

4 具体授课内容

为了达到既定的教学目标和课程思政要求,需要对“组合逻辑电路设计”的具体授课流程进行教学设计。整个流程如图1所示,教学过程分为复习、新课学习和总结巩固三大部分,每个部分都有对应的教学环节进行内容展开,总计7个教学环节[8-9]。

图1 “组合逻辑电路设计”教学流程图

4.1 复习部分

第一部分是对先学知识和内容的回顾,对应环节①:已学内容复习,主要是关于本章节要用到的组合逻辑代数的基本定律。具体理论教学内容如表2所示。

表2 “组合逻辑电路设计”理论教学内容

4.2 新课学习部分

本次教学设计将新课学习分为理论部分、实例应用和课程思政三部分,对应环节②到⑥,涉及一般组合逻辑电路的设计要求、步骤,以“三人表决器”为案例的具体电路设计、功能验证和改进以及由此启发的课程思政。

4.2.1 理论部分

具体落实到教学过程中,首先把环节②一般组合逻辑电路的设计要求和环节③一般组合逻辑电路的设计步骤等抽象及概括性的内容直接分享给学生,其具体教学内容如表2所示。

4.2.2 实例应用

对照理论部分的内容,并以“三人表决器”为例,完成环节④具体电路即“三人表决器”的设计和环节⑤具体电路即“三人表决器”的功能验证及改进,实现从“抽象内容概括”到“具体案例应用”过渡,并对“抽象内容概括”进行反馈的闭环。教学环节④和教学环节⑤是具体实例的应用,在教学设计上应及时地有机结合时事和教学内容,教学情境如下:2022年北京冬奥会,某个运动项目有三名裁判(A、B和C),以少数服从多数的原则判定选手能否通过。假设学生是电子设计师,为评判环节设计一个电路,要求能够体现裁判判定和选手是否过关之间的逻辑关系。

对实际问题的分析是:三名裁判(A、B和C)的意见相互独立,每名裁判的意见只有“同意”和“不同意”两种,按照排列组合的规律,不难发现,总共有2*2*2,即8种意见,按照题目中的少数服从多数的原则,也就是说,三名裁判有两名或者两名以上认可,那么结果L即为“通过”,反之则为“不通过”,由此,可以得到如表3所示的逻辑关系分析表。

表3 “三人表决器”逻辑关系分析表

第一步:逻辑抽象。逻辑电路只能处理0和1,若要通过组合逻辑电路实现,则需对输入信息,即三名裁判(A、B和C)的意见和输出信息,即评定信息进行转化,转化为逻辑电路能够处理的0和1。因此进行如下约定:对于三名裁判(A、B和C)的输入信号,“同意”为“1”,“不同意”则为“0”。对于评定结果:“通过”为“1”,“不通过”则为“0”,经过这样的逻辑约定之后,先前的逻辑关系分析就变成了如表4所示的只由0和1组成的真值表,这就完成了组合逻辑电路设计的第一步。

表4 “三人表决器”逻辑真值表

第二步:逻辑表达式。通过观察真值表可知,里面是有4种情况输出是1,而这4种情况是互斥的,所以只需要把这4种情况的输入组合取一个并集,对应到逻辑代数里,就是“逻辑或”起来就可以,结果如式(1)所示。

第三步:逻辑电路图。根据式(1),选择合适的基本逻辑门元件,在Multisim仿真软件中直接构造逻辑电路,可以看到,需要取A、B、C以及各自的非,然后通过三输入与门,以及四输入或门,同时兼顾结果的直观性和可视化,为了让结果更加直观,在这里,课题组加上了ALight、BLight、CLight和YLight作为输入信号和成绩的判定。当信号是1时,灯亮;当信号是0时,灯灭。“三人表决器”在Multisim中的初步电路图如图2所示。

从图2所示的“三人表决器”初步电路图可以看出,其电路图结构比较复杂,用到的逻辑门器件也很多,所以需要对逻辑门电路进行化简,过程如图3所示。化简之后的结果简单很多,在Multisim仿真软件中,将A、B和C三个输入信号进行两两相与,再通过一个三输入的或门,就可以实现逻辑功能,改进后的“三人表决器”电路图如图4所示,再引导学生根据图3所示的所有输入组合,验证输出结果是否与预期相符。

图2 “三人表决器”初步电路图

图3 “三人表决器”逻辑表达式化简过程图

图4 改进后的“三人表决器”电路图

4.2.3 课程思政展开

教学环节⑥课程思政展开是针对本章节的课程内容,合理提取所涉及的思政要素。与思想政治课不同,专业课的教学中,要避免重复、老套和生硬地融入思政要素,可以通过知识关联、案例分析合理提取所涉及的思政要素,进而有效实现课程思政育人的目的[10],具体到“组合逻辑电路的设计”这一章节中,可以从以下方面展开课程思政。

1)“三人表决器”的逻辑表达式,可以通过L=AB+BC+AC,也可以通过L=A(B+C)+BC,还可以结合后续学习的74LS150八选一数据选择器来实现,每种方式都有自己的优点,在后续的学习中,应广开思路,以包容的心态看待问题,汲取他人设计的智慧。

2)在组合逻辑电路的分析和设计时,每个基本逻辑门器件只能实现一个基本功能,只有所有基本功能加在一起,才能构成一套完整的逻辑电路,正如同学们的日常学习和生活都离不开集体合作一样。用集体精神引导学生正确看待个体与整体的辩证关系,充分发挥个人在集体中的作用,在提高集体凝聚力和综合性创新能力的同时,实现个人创造力和核心力的提升。

3)在组合逻辑电路的设计过程中,按照“提出需求”“问题分析”“逻辑抽象”“具体实现”“电路改进”和“新电路的具体实现”这样的一个类似于螺旋式上升的方式进行,引导学生看待生活中的问题要从辩证发展的角度出发,一步一个脚印踏实向上,从量变到质变,又从质变开始新的量变,如此循环往复,终将实现自己的人生价值和社会价值。

4.3 总结巩固部分

此部分对应教学环节⑦章节内容总结及作业布置。新课内容教学完成之后,及时对本章节的“组合逻辑电路设计”的重点内容进行归纳总结,并设计相关题目,对已学内容及时进行巩固。题目场景可以以“无偿献血”的背景知识进行相应的发散,点明“无偿献血”的社会意义,并且可以列举本校或者学生周围的“无偿献血”的实例,而后将题目展开,再次呼应课程思政的背景。具体题目场景如下:人的血型有A、B、AB、O四种。输血时输血者的血型与受血者血型必须符合如图5所示的箭头指示的授受关系。试设计逻辑电路,判断输血者与受血者的血型是否符合上述规定。

图5 “无偿献血”中的血型匹配规则关系图

5 结语

机械类专业“电工与电子技术”课程,其知识点分散、内容抽象,导致学生在理解和掌握上存在一定的难度。因此,“电工与电子技术”课程教学实践可以结合具体应用,从学生身边的案例出发,结合时事作为题目背景进行教学设计,并且与课程思政进行有机融合。对于专业课程的思政教育要做到“守好一段渠、种好责任田”,使专业课程与思政教育同向同行,形成协同效应,完成知识目标和能力目标的同时,也能够顺利达到思政教育的教学目的,进一步提高“电工与电子技术”课程的教学质量和培养的人才质量。

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