袁小坊　鄺繼順

摘要：當(dāng)前本科小班研討課面臨學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣的改變、學(xué)習(xí)興趣的提升等問題，文章介紹數(shù)字邏輯教學(xué)中的兩次討論課設(shè)計，采用引導(dǎo)式討論法，設(shè)計多個彼此關(guān)聯(lián)的小問題，交由學(xué)生課后思考，教師采用圖形、仿真與更形象的口頭表述引導(dǎo)學(xué)生積極地參與討論，幫助學(xué)生更快地突破知識理解上的盲點和障礙。

關(guān)鍵詞：小班研討：引導(dǎo)式討論；鎖存器；觸發(fā)器

0 背景

小班研討課是世界一流大學(xué)教學(xué)實踐中廣泛采用、行之有效的一種重要教學(xué)組織形式。目前國內(nèi)大學(xué)也在極力推廣這種教學(xué)模式，希望通過這種教學(xué)方式給予學(xué)生求知動力，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣與探索精神，培養(yǎng)和提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)、批判分析、創(chuàng)新思考、交流表達(dá)和團(tuán)隊合作等能力，全面提升學(xué)生的學(xué)術(shù)素養(yǎng)和綜合能力。但任何一種好方法的應(yīng)用都必須因地制宜，考慮實際情況與應(yīng)用環(huán)境，否則很難達(dá)到預(yù)期目的，甚至可能得到相反的結(jié)果。

1 小班研討課面臨的問題

1.1 學(xué)習(xí)習(xí)慣

首先面臨的一個難點是學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣的改變。大班授課中，學(xué)生基本上是被動的，而在小班授課中，要求學(xué)生變得主動。中國學(xué)生在長期應(yīng)試教育中形成的被動學(xué)習(xí)習(xí)慣是一個很大的障礙，在實際的教學(xué)過程中，一個普通小班中能主動發(fā)言并上臺討論的學(xué)生只有那么幾個，大多數(shù)學(xué)生都羞于表現(xiàn)，即使勉強上臺也是應(yīng)付式的，與老師的設(shè)想相差很大。中國學(xué)生的這種特點甚至讓美國大學(xué)也感到頭疼，由于來自中國的留學(xué)生越來越多，美國大學(xué)某些課程班的非中國學(xué)生紛紛逃離，因為“課堂上太安靜了”，對于美國大學(xué)的教師來說這是一種挑戰(zhàn)，“如何影響他們？如何讓他們參與？這都是傷腦筋的事?！痹谥袊髮W(xué)里，某些精英班級的學(xué)生主動性比較好，但普通班級的學(xué)生就要差很多，況且改變習(xí)慣不是一天兩天就能完成的，教師面臨的挑戰(zhàn)很大，

1.2 學(xué)習(xí)興趣

其次面臨的是學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣問題..學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣同時還受到社會的影響，應(yīng)試教育、社會壓力與功利性學(xué)習(xí)目的大大束縛了學(xué)生的思維、膽量與想象力。同樣的年紀(jì)，16歲的愛因斯坦暢想著與光一起旅行，而我們的學(xué)生則埋身在一遍遍復(fù)習(xí)與考試之中，為高分而奮斗?，F(xiàn)在的大學(xué)生學(xué)習(xí)的目的最低就是應(yīng)付考試、拿文憑，最高也不過是找個好工作、當(dāng)個旱澇保收的公務(wù)員或考研。那種與生俱來的好奇心與探究興趣早已被壓抑，仰望星空的美麗終抵不過現(xiàn)實的骨感，校園本身不清凈，學(xué)生亦難以安心。在小班研討課中，教師肩負(fù)著重新喚醒學(xué)生的探究興趣的責(zé)任，這一過程也不是一蹴而就的。

1.3 時間與情緒

學(xué)生的時間與情緒也是不得不面臨的問題。目前學(xué)生的負(fù)擔(dān)還是蠻重的，隨著課程改革的進(jìn)行，除上課外，學(xué)生面臨著大量的課后作業(yè)、課前研討準(zhǔn)備、課后實驗，學(xué)生還是有一些怨言的，對新教學(xué)模式的不適應(yīng)也會使學(xué)生產(chǎn)生焦慮情緒。如果學(xué)生總是處于被動且疲于應(yīng)付的狀態(tài)，學(xué)習(xí)效果自然會大打折扣。

1.4 知識基礎(chǔ)

另外，受知識基礎(chǔ)與知識獲取能力的限制，大部分低年級學(xué)生的思維還不容易展開，難以獨立進(jìn)行有一定深度的問題研討。

2 引導(dǎo)式討論教學(xué)法

在分析當(dāng)前小班研討教學(xué)所面臨問題的基礎(chǔ)上，我們在具體的小班研討教學(xué)過程中探索了不同的教學(xué)方式，引導(dǎo)式討論方法是其中的一種。從教學(xué)效果來看，學(xué)生感覺收獲較大，效率也較高。下面，我們以數(shù)字邏輯教學(xué)中的兩次討論課為例來進(jìn)行說明。

時序電路基礎(chǔ)部件是數(shù)字邏輯教學(xué)中的一個難點，大部分學(xué)生都會有疑問：為何沒有任何記憶功能的組合電路經(jīng)過設(shè)計后能變得有記憶功能，且能在時鐘脈沖的控制下進(jìn)行工作？鎖存器（latch）與觸發(fā)器（flip-flop）有什么區(qū)別？脈沖觸發(fā)器與邊沿觸發(fā)器有什么區(qū)別？即使反復(fù)看教材，仍然很困惑。

根據(jù)大班授課時學(xué)生所感到疑惑的知識點，我們采用引導(dǎo)式討論方法設(shè)計了兩次討論課。引導(dǎo)式討論方法就是根據(jù)當(dāng)前教學(xué)的情況，設(shè)計多個小問題，這些問題彼此關(guān)聯(lián)，切合學(xué)生所面臨的難點，交由學(xué)生課后思考，小班研討時，在教師的引導(dǎo)下學(xué)生逐一對問題進(jìn)行討論，提出自己的觀點，然后由老師總結(jié)，并給出正確的結(jié)果。

2.1 時序電路第一堂討論課

第一堂討論課要解決對基本概念、基本部件機制的透徹理解，設(shè)計的問題如下。

1）時序電路記憶部件類型。

請解釋以下名稱的區(qū)別與關(guān)系。

國內(nèi)教材中：基本觸發(fā)器、電平觸發(fā)器（鐘控觸發(fā)器）、主從觸發(fā)器（脈沖觸發(fā)器）、邊沿觸發(fā)器。

國外教材中：基本鎖存器、帶控鎖存器、脈沖觸發(fā)器（Pulse-Triggered Flip-Flop）、邊沿觸發(fā)器（Edge-Triggered Flip-Flop）。

2）什么是“空翻”，如何解決？

3）為什么主從SR觸發(fā)器會有“1—捕獲”錯誤？

4）為什么主從SR觸發(fā)器是脈沖觸發(fā)而不是邊沿觸發(fā)？

5）主從D觸發(fā)器為什么沒有“1—捕獲”錯誤？

6）主從D觸發(fā)器一定是邊沿觸發(fā)器？

問題1）主要源自于以前國內(nèi)教材把鎖存器與觸發(fā)器當(dāng)成一個東西，學(xué)生看相關(guān)資料時會有疑惑，在國外教材中，鎖存器與觸發(fā)器是嚴(yán)格區(qū)分的：

However，some textbooks and digital designers may（incorrectly）use the name“flip-flop”for a device that we call a“l(fā)atch”.

Flip-flop differs from latches due tO the triggering method used.Latches are not pulse or clock edge triggered and flip-flops are.

In this sense，the latch is transparent，since itsvalue can be seen from the outputs while the controlinputis 1.endprint

鎖存器是最基礎(chǔ)的存儲器件，是觸發(fā)器的構(gòu)成核心。

The most basic storage elements are latches，from which flip-flops are usually constructed.

問題2）考查學(xué)生對“空翻”的理解，圖1采用主從SR觸發(fā)器解決一個時鐘周期內(nèi)輸入信號的多次改變會導(dǎo)致輸出信號多次改變的問題。

問題3）與問題4）可以說是一個問題，主從SR觸發(fā)器解決空翻問題，但存在“1—捕獲”錯誤。如圖2所示，當(dāng)在一個時鐘脈沖的高電平前部，S端輸入了一個高電平干擾窄脈沖，會使Y置高電平，即使窄脈沖消失后，Y仍然會保持高電平，最后導(dǎo)致時鐘脈沖變?yōu)榈碗娖綍r，Q端會輸出高電平，這是我們不希望產(chǎn)生的結(jié)果。這說明主從SR觸發(fā)器的抗干擾能力有缺陷，同時我們也看到主從SR觸發(fā)器的輸入在時鐘高電平期間的變化可能影響到輸出，所以稱之為脈沖觸發(fā)器，有的主從觸發(fā)器會產(chǎn)生“0—捕獲”錯誤，它們都屬于脈沖觸發(fā)器，而非邊沿觸發(fā)器。

問題5）與問題6）實際上也是一個問題，圖3中的負(fù)邊沿D觸發(fā)器也是主從結(jié)構(gòu)，但由于主D鎖存器的特點，邊沿D觸發(fā)器可以避免“1—捕獲”或“0—捕獲”的錯誤。邊沿D觸發(fā)器在脈沖邊沿變化的一瞬間，輸出只與離時鐘邊沿變化最近的一次輸入有關(guān)，所以稱為邊沿觸發(fā)器，具有更強的抗干擾能力。

綜合以上4個問題的答案，就可以解決學(xué)生心中一個最大的疑惑：為什么說脈沖觸發(fā)器的輸出與脈沖整個正電平期間的輸入變化有關(guān)系，而邊沿觸發(fā)器則不是：

“The logic symbol for the master/slave S-Rflip-flop does not use a dynamic-input indicator.because the flip-flop is not truly edge triggered.”“Flip-flops with this kind of behavior are sometimescalled pulse-triggered flip-flops”

2.2 時序電路第二堂討論課

在第一堂討論課的基礎(chǔ)上，第二堂討論課幫助學(xué)生更深入地思考問題，并開闊學(xué)生的眼界，設(shè)計問題如下：

1）是否只有主從D觸發(fā)器才是邊沿D觸發(fā)器？

2）是否還有其他類型的邊沿D觸發(fā)器？

3）邊沿觸發(fā)只有上升沿與下降沿模式嗎？

4）什么是單一時鐘？

5）觸發(fā)器定時：建立時間、保持時間

6）有了觸發(fā)器后，鎖存器是不是就沒有用了？

問題1）與問題2）引導(dǎo)學(xué)生思考，實現(xiàn)邊沿觸發(fā)器的方法不是只有一種，由于教材中只給出了主從結(jié)構(gòu)邊沿D觸發(fā)器的例子，所以在討論課中分別給出另外兩種實現(xiàn)方式，并由學(xué)生理解討論期中的實現(xiàn)機制。

圖4是由CMOS邏輯門和CMOS傳輸門組成的主從式D觸發(fā)器。該觸發(fā)器利用4個傳輸門交替地開通和關(guān)閉，將觸發(fā)器的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)控制在CP下降沿到來的一瞬間，并接收CP下降沿到來前一瞬間的D信號。該電路為主從結(jié)構(gòu)，具有邊沿觸發(fā)器的特性。

圖5是維持阻塞D觸發(fā)器。由于置1維持線與置0阻塞線的作用，當(dāng)觸發(fā)器處于狀態(tài)1時，即使輸入D由1變?yōu)?，觸發(fā)器仍保持狀態(tài)1。同理，當(dāng)觸發(fā)器處于狀態(tài)0時，由于置0維持線和置1阻塞線的作用，即使輸入D由0變?yōu)?，觸發(fā)器仍保持狀態(tài)0不變。這樣，就保證觸發(fā)器在時鐘信號作用期間只變化一次，從而有效地杜絕了“空翻”，且沒有“1—捕獲”或“0—捕獲”的錯誤。維持阻塞D觸發(fā)器的機制較難理解，采用Proteus做仿真電路并逐步演示，學(xué)生很快就理會出其中的奧秘。

通過將這兩個電路與教材中的電路進(jìn)行比較，學(xué)生討論之后，很快得出結(jié)論：維持阻塞D觸發(fā)器的成本是最低的。

問題3）引導(dǎo)學(xué)生思考邊沿觸發(fā)的應(yīng)用方式。教材中給出的電路或采用上升沿觸發(fā)，或采用下降沿觸發(fā)，近十多年隨著技術(shù)的發(fā)展，芯片設(shè)計上已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，比如DDRRAM（DoubleData Rate SDRAM）就同時采用了上升沿與下降沿都傳送數(shù)據(jù)的方法，在相同工作頻率下，數(shù)據(jù)傳送率提高到SDRAM的兩倍，如圖6。

問題4）引導(dǎo)學(xué)生思考一個時序電路中是否只能有一個時鐘信號？教材中的例子都是單一時鐘的。圖7中，DDR中采用了差分時鐘CK#，差分時鐘是DDR的一個必要設(shè)計，但CK#的作用，并不能理解為第二個觸發(fā)時鐘，而是起到觸發(fā)時鐘校準(zhǔn)的作用。由于數(shù)據(jù)是在CK的上下沿觸發(fā)，造成傳輸周期縮短了一半，因此必須要保證傳輸周期的穩(wěn)定以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，這就要求CK的上下沿間距要有精確地控制。然而因為溫度、電阻性能的改變等原因，CK上下沿間距可能發(fā)生變化，此時與其反相的CK#就起到糾正的作用（如果CK上升快、下降慢，則CK#就會上升慢、下降快）。在更復(fù)雜的電路中，人們會采用時鐘域設(shè)計。

問題5）引導(dǎo)學(xué)生思考邊沿觸發(fā)器對建立時間與保持時間的要求。

問題6）引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合第一節(jié)討論課的內(nèi)容，回想并思考。鎖存器是構(gòu)成觸發(fā)器的核心部件，由于鎖存器有缺點，是不是鎖存器就不能獨立使用了呢？實際上鎖存器相對觸發(fā)器來說，有它的優(yōu)點：器件簡單、面積小、速度快，所以在CPU的設(shè)計中常采用鎖存器，關(guān)鍵是要保證信號的質(zhì)量。

2.3 課堂反饋

積極參與這兩節(jié)研討課的學(xué)生基本上能將以上所有小問題都搞清楚，很多同學(xué)恍然大悟，他們感嘆，以前課后看書，有些地方一大段一大段的，很難看懂，總感覺抓不住要害；研討課則能激發(fā)自己的思維，抓住關(guān)鍵點，往往一下子就找到了感覺，有些同學(xué)下課時竟還有意猶未盡之感。

教材上的書面文字受各方面的限制，表達(dá)力總還是有限的。不同于大班授課，研討課中教師可以不受特定教材內(nèi)容與編排的限制，自由綜合相關(guān)資料，采用圖形、仿真與更形象的口頭表述引導(dǎo)學(xué)生積極地參與討論，確實能幫助學(xué)生更快地突破理解上的盲點或障礙。教師設(shè)計的小問題也能啟發(fā)學(xué)生如何自己去思考、理解教材，如何提問。因為要提高思維能力，首先要學(xué)會提問，正如愛因斯坦所說“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許僅是一個數(shù)學(xué)上的或是實驗的技能，而提出新的問題，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步”。endprint

3 小班研討課對教師的要求

引導(dǎo)式討論中小問題的設(shè)計是關(guān)鍵，教師要能體會到學(xué)生的難處，設(shè)計問題要細(xì)致、動中肯綮，視野開闊。魯迅先生曾說過：“一條小溪，清澈見底，淺就淺吧，一潭污水，誰知道他有多深”。在討論課中，通過對小問題的逐步討論、剖析，教師給學(xué)生展現(xiàn)的就是一條清澈見底的小溪，學(xué)生自然感覺通透清涼。

小班研討授課模式對于教師來說是一種考驗，也是一種成長機會。小班研討課不同于傳統(tǒng)的大班授課，也不同于習(xí)題課、答疑課，是一種更接近柏拉圖學(xué)園（Plato academy）的學(xué)習(xí)模式，對教師的綜合素質(zhì)要求更高，教師需要擺脫教材內(nèi)容與編排的限制，自由綜合更多的相關(guān)資料在與學(xué)生的實時互動中，教師動用的資源不儀儀與本教材、本課程、本學(xué)科相關(guān)，還與他的實踐經(jīng)驗、人生閱歷、知識視野、人文修養(yǎng)、個人情趣緊密相連。課程就是教師的產(chǎn)品，技術(shù)層面創(chuàng)造價格，而品位格調(diào)提升價值，一位優(yōu)秀教帥的課程品格極具個人特性，難以完全復(fù)制。正是如此，Bill.Gates才表示“愿意犧牲很多東西云換取Steve.Jobs的品味（I would give a lot to haveSteves taste.）”，其實世上萬事皆殊途同歸

4 結(jié)語

在目前的實際條件下，引導(dǎo)式討論教學(xué)法客觀上起到扶著學(xué)生前進(jìn)的作用，也相對減輕了新教學(xué)模式下學(xué)生的焦慮與不適應(yīng)。圖形、仿真、形象的口頭表述以及實時的討論可突破教材書面文字表現(xiàn)力的局限，更快地幫助學(xué)生掌握好知識的難點，提升思維水平，開闊眼界，提高學(xué)習(xí)效率，教學(xué)效果很明顯。經(jīng)過多個學(xué)期多門課程的小班研討訓(xùn)練，學(xué)生的各方面能力均有所長進(jìn)，教學(xué)方法也應(yīng)隨之調(diào)整，讓學(xué)生在研討中擔(dān)當(dāng)更主動的角色。當(dāng)然，大環(huán)境不變，僅靠小班研討課無法解決學(xué)生的全部問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]Bartlett T，F(xiàn)ischer K.中國留學(xué)生讓美國大學(xué)傷腦筋[EB/OL].邱遲，譯.http：∥qnck.cyol.com/html/2011-11/09/nw.D110000qnck-20111109-1-23.htm.

[2]Mano M M，Kime c R.邏輯與計算機設(shè)計基礎(chǔ)[M].4版.鄺繼順，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2012：135-146.

[3]Wakerly J F Digital design principles and practices[M].4th ed.北京：高等教育出版社，2009：527-537.

[4]Yarbrough J M.Digital Logic Application and Design[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002：253-254.

[5]Mano M M，Kime C R.Logic and Computer design Fundamentals[M].4th ed.北京：機械工業(yè)出版社，2010：211-218.

[6]佚名.DDR的原理和時序[EB/OL].http：∥www.hackhome.com/InfoView/Article 92586.html.

（編輯：白杰）endprint