馮志斌，江華麗

（1.閩南科技學(xué)院，福建 泉州 362332；2.廈門(mén)理工學(xué)院 光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361024）

0 引 言

高校教學(xué)方式的探索與改革是教育領(lǐng)域值得關(guān)注的話(huà)題，融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)展教學(xué)方式改革是一種新模式，是提升教學(xué)質(zhì)量的重要手段。慕課教育最早于2008年在加拿大開(kāi)始出現(xiàn)，隨后美國(guó)斯坦福大學(xué)發(fā)布關(guān)于人工智能導(dǎo)論的免費(fèi)慕課，吸引了全世界的關(guān)注。至2012年，世界各地的高校紛紛加入慕課教育的探索和實(shí)踐中。中國(guó)高校于2012年開(kāi)始加入對(duì)慕課教育的探索和實(shí)踐，近十年來(lái)得到了快速的發(fā)展，涌現(xiàn)出學(xué)習(xí)通、中國(guó)大學(xué)、智慧樹(shù)等公共在線(xiàn)平臺(tái)；部分高校還自主或聯(lián)合研發(fā)在線(xiàn)平臺(tái)，如清華大學(xué)的“學(xué)堂在線(xiàn)”和阿里與北大聯(lián)合打造的“華文慕課”平臺(tái)等。受新型冠狀病毒肺炎疫情的影響，教師們通過(guò)學(xué)習(xí)通、中國(guó)大學(xué)、智慧樹(shù)等平臺(tái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行線(xiàn)上教學(xué)，這是慕課教育探索成果的一次展示。慕課教育有利于優(yōu)質(zhì)教育資源的整合與分享，促進(jìn)教育公平化發(fā)展。

如何運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更好地引導(dǎo)學(xué)生完成理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如何將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合，如何采取混合式教學(xué)是每一位教師都應(yīng)該思考的問(wèn)題。本文以《數(shù)字邏輯電路》為例，該課程是我校計(jì)算機(jī)和電子信息工程等工科專(zhuān)業(yè)的必修課，其課程任務(wù)是使學(xué)生掌握數(shù)字電子技術(shù)的基本理論和基本知識(shí)、數(shù)字邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法。該課程內(nèi)容具有前沿性和時(shí)代性。

1 線(xiàn)上理論課程教學(xué)

《數(shù)字邏輯電路》課程著重講述了半導(dǎo)體器件、TTL和CMOS邏輯芯片、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時(shí)序邏輯電路、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換等內(nèi)容，課程共計(jì)48學(xué)時(shí)，其中包含24學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)。本課程理論部分采用學(xué)習(xí)通平臺(tái)，建設(shè)《數(shù)字邏輯電路》課程資源，包含各章節(jié)視頻學(xué)習(xí)、課程作業(yè)、課程資料、課程考試、課程小測(cè)等部分，教師可進(jìn)行課堂測(cè)試，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)測(cè)試評(píng)分，發(fā)布作業(yè)，學(xué)習(xí)通平臺(tái)數(shù)據(jù)分析全面，有利于教師全面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。課程錄制可采取PPT錄頻錄制方法，較為方便，可以錄制屏幕圖像和聲音，教師可以出鏡。作業(yè)講解可采用手機(jī)直接錄視頻的方法，效果較好，邊寫(xiě)邊講，把握重難點(diǎn)，力求短小精悍，每個(gè)小視頻控制在20 min以?xún)?nèi)，學(xué)生學(xué)起來(lái)不會(huì)煩躁。課程結(jié)合“問(wèn)題式”教學(xué)法，以問(wèn)題為教學(xué)主線(xiàn)，通過(guò)討論學(xué)習(xí)與講解測(cè)試，幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，構(gòu)建系統(tǒng)的知識(shí)體系，增強(qiáng)分析和解決問(wèn)題的能力。該課程考核作業(yè)情況占10%，課堂互動(dòng)占10%，課程音視頻占10%，章節(jié)測(cè)驗(yàn)占20%，討論占10%，期末考試占40%。圖1為各課程章節(jié)設(shè)置，將每個(gè)章節(jié)知識(shí)細(xì)化并錄制短視頻，針對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題錄制答疑視頻和作業(yè)解答。課后布置一定的作業(yè)，要求學(xué)生手寫(xiě)拍照上傳，避免學(xué)生利用電子文檔相互拷貝，老師會(huì)及時(shí)批改并進(jìn)行答疑，尤其對(duì)錯(cuò)誤較多的題目進(jìn)行重點(diǎn)講解，學(xué)生能夠主動(dòng)與老師交流，整體教學(xué)效果不錯(cuò)。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)讓學(xué)生更好地理解理論知識(shí)是一種常用的教學(xué)方法。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱搭建電路，學(xué)生因?qū)τ布皇煜ぃＲ蚵┙由踔铃e(cuò)接電路造成芯片燒毀，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)耗材損耗多，實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)費(fèi)用增高；受實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)課時(shí)限制，學(xué)生往往只注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，忽略對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的思考；實(shí)驗(yàn)室芯片種類(lèi)有限，不能實(shí)時(shí)更新，特別是疫情防控期間，需要避免人員聚集，限制了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以很好地解決這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題。本課程實(shí)驗(yàn)采用Proteus軟件作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該軟件是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的一款EDA工具軟件，不僅可用于模擬/數(shù)字電路仿真，還支持單片機(jī)及其外圍電路的協(xié)同仿真。學(xué)生在電腦上安裝好軟件后便可以靈活搭建電路，課后自由設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性。表1為數(shù)字邏輯電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，其中基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)必須完成，綜合性實(shí)驗(yàn)則選擇性完成；同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)新意識(shí)，自主設(shè)計(jì)功能并實(shí)現(xiàn)。學(xué)生按要求完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提交電子文檔即可。

表1 數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3 實(shí)驗(yàn)案例分析

設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)游戲投幣控制電路。實(shí)驗(yàn)要求：每次只能投一個(gè)1元或2個(gè)一元的硬幣，投滿(mǎn)4元后游戲啟動(dòng)，若有余錢(qián)也同時(shí)找回。

設(shè)計(jì)思路：該設(shè)計(jì)為時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)。時(shí)序電路的設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)需求，滿(mǎn)足輸入和輸出變量的時(shí)序問(wèn)題。首先要進(jìn)行邏輯抽象，化簡(jiǎn)的重點(diǎn)是要消去多余的狀態(tài)。然后選取觸發(fā)器類(lèi)型，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇觸發(fā)器，每種觸發(fā)器的特性和適用范圍不同，選擇最適合的觸發(fā)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。觸發(fā)器選擇完以后，計(jì)算驅(qū)動(dòng)信號(hào)方程。最后按照確定好的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、輸出信號(hào)進(jìn)行邏輯圖的繪制，注意要檢查電路是否能夠自啟動(dòng)，如果電路陷入無(wú)效循環(huán)，則必須重新修改邏輯圖。從狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖中進(jìn)行重新修改設(shè)計(jì)，使電路能夠重新回到有效循環(huán)，或者通過(guò)卡諾圖設(shè)計(jì)，把無(wú)效狀態(tài)拉回到有效循環(huán)的其中一種有效狀態(tài)。

（1）搭建電路：首先進(jìn)行狀態(tài)分析，在自動(dòng)游戲投幣控制電路中對(duì)兩個(gè)不同的輸入信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)賦值：投入1元用=1表示；投入2元用=1表示。游戲開(kāi)始用=1表示；找回零錢(qián)1元用=1表示；用表示已有0元（原始狀態(tài)）；表示已有1元；表示已有2元；表示已有3元。具體狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。其中，當(dāng)=1且=1時(shí)為約束項(xiàng)，表示兩種硬幣不能同時(shí)投下。

圖1 課程章節(jié)設(shè)置

圖2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換

（2）確定表達(dá)式：根據(jù)圖2所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換情況進(jìn)行分析，列出系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程，如式（1）、式（2）所示：

（3）選擇觸發(fā)器類(lèi)型：根據(jù)式（1）、式（2），選用JK觸發(fā)器并求出電路的狀態(tài)方程和驅(qū)動(dòng)方程，如下所示：

（4）根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)方程連接電路進(jìn)行虛擬仿真，如圖3所示。點(diǎn)擊運(yùn)行，按要求操作便可從LED指示燈上觀察到實(shí)現(xiàn)效果；也可以從Proteus軟件中自帶的邏輯分析儀中觀看輸出波形，如圖4所示，邏輯分析儀可以非常清晰地顯示每一時(shí)刻輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的邏輯狀態(tài)，將輸入和輸出數(shù)據(jù)記錄表格，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖3 仿真原理

圖4 示波器輸出波形（CLK、A、B、Q1、Q0、Y、X）

4 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的線(xiàn)下課堂教學(xué)以教師講解為主，可以與學(xué)生積極地互動(dòng)；但受課時(shí)限制，知識(shí)很難深入探討，學(xué)生處于被動(dòng)狀態(tài)，一時(shí)很難消化知識(shí)難點(diǎn)，課后需要花費(fèi)大量時(shí)間鞏固。線(xiàn)上課程教學(xué)打破了時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可以錯(cuò)峰登錄學(xué)習(xí)平臺(tái)，通過(guò)反復(fù)觀看教學(xué)視頻來(lái)理解知識(shí)；還可以下載豐富的學(xué)習(xí)材料。教師可以通過(guò)學(xué)習(xí)通、微信、QQ等軟件對(duì)學(xué)生進(jìn)行線(xiàn)上答疑。線(xiàn)上課程可以幫助學(xué)生以解決問(wèn)題為主線(xiàn)，改善學(xué)習(xí)效果，讓學(xué)生處于主動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理念。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主動(dòng)手能力，能夠?qū)⒅R(shí)運(yùn)用于實(shí)際應(yīng)用中，解決工程項(xiàng)目實(shí)際問(wèn)題，有效地提高學(xué)生的科學(xué)研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。事實(shí)證明，采用線(xiàn)上理論教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)是有效的。如何更好地運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)進(jìn)行混合式教學(xué)、豐富教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)品質(zhì)、打造一流的金課是教師的使命和責(zé)任，這次疫情讓大家停下腳步進(jìn)行教學(xué)反思?！巴Ｕn不停學(xué)”在線(xiàn)教學(xué)面臨諸多的挑戰(zhàn)，也迎來(lái)了難得的機(jī)遇。