面向高阶思维能力培养 构建《数字电路》高阶课堂

宋阳 周波 周国军

摘要：高阶思维是发生在较高认知水平层次上的心智活动或较高层次的认知能力，集中体现了知识时代对人才素质提出的新要求，是适应知识时代发展的关键能力。然而，目前绝大多数高校课堂教学依然停留在低阶能力、低阶学习和低阶思维的层次上，没有有效地促进学员高阶思维能力的发展、塑造学员适应社会发展所需要的核心素质和能力。文章将以《数字电路》课程为依托，深度剖析课程各模块各部分内容的特点，以高阶学习作为主要参照标准，设计教学活动，研究建设高阶课堂的实施办法，提高学员的高阶思维能力和综合素质。

关键词：高阶思维能力;数字电路;高阶课堂;教学活动

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）19-0154-02

1 研究背景及意义

新技术、新媒体的发展使人类前所未有地减轻了低阶知识与能力的负荷，使得人们更需要具备完成复杂任务、解决劣构问题的高级综合能力，即高阶思维[1]。人们学习知识的认知过程分为六个方面，分别为记忆、理解、应用、分析、评价和创造，其中知识、理解、应用被称为低阶思维，分析、综合和评价被称为高阶思维[2]。

高阶思维教学是国内外教育教学改革的发展方向，教育的主要目标就是要发展学员的高阶思维能力，它具有严谨性、深刻性、定量性、批判性、独创性、灵活性等特点，倡导学员主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学员搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力，成为一个有创新能力的终身学习者，在当今世界的发展大潮中激流勇进[3-4]。

2 课程内容与特点剖析

2.1 课程模块划分

电子技术分为模拟电子技术和数字电子技术两大类，《数字电路》课程主要学习数字电子技术的基础内容，通过对常用电子器件、数字电路及其系统的分析与设计的学习，使学员获得数字电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能，系统地、正确地建立数字电子技术的相关概念，一方面为学员以后深入学习电子技术打下基础，另一方面使其掌握在信息化社会里工作、学习和生活所必须具备的数字电路知识与基本操作技能。

近年来，国内外数字电子技术教材种类繁多，课程的编排顺序有所不同。依据我院的课程教学计划将课程的主要结构内容分为以下几部分：⑴分析与设计工具：逻辑代数，重点学习逻辑代数的基本定律和定理、逻辑关系的描述方法和相互转换、逻辑函数的化简方法;⑵基本单元电路：门电路、锁存器、触发器，重点学习各单元电路的工作原理、逻辑符号及逻辑功能;⑶电路的分析与设计方法：组合电路的分析方法、设计方法、时序电路的分析方法，重点学习组合电路的特点、分析方法和设计方法，时序电路的特点、描述方法和分析方法;⑷典型功能电路：编码器、译码器、加法器、计数器、寄存器、555定时器、555定时器组成的施密特触发器、555定时器组成的单稳态触发器、555定时器组成的多谐振荡器、数模与模数转换器，重点学习各功能电路的工作原理、逻辑功能及使用方法。课程模块的结构示意图如图1所示。

2.2 模块特点剖析

模块一：分析与设计工具，即数字电路的分析与设计工具——逻辑代数。重点学习逻辑函数表达式形式，包括与或式、与非式、最小项形式，逻辑代数的基本定律和定理，逻辑关系的描述方法及相互转换，逻辑函数的化简方法。本模块要求学员必须掌握逻辑函数表达式的形式和相互转换的方法，逻辑关系的描述方法和互相转换的方法，能够利用逻辑代数的基本定律和定理对逻辑函数进行化简和变换。这部分内容难度不大，但是需要學员深入理解，熟练掌握，并且能做到灵活运用。

模块二：基本单元电路，即本课程的基础，是构成功能电路的基本单元。包括门电路、锁存器和触发器，重点学习与门、或门、非门、与非门、或非门、同或门、异或门，CMOS三态门、CMOS传输门和TTL门电路;或非门构成的基本SR锁存器、与非门构成的基本SR锁存器、门控D锁存器;D触发器、JK触发器、T触发器、T触发器和触发器的功能转换。本模块要求学员必须掌握各种门电路、锁存器和触发器的工作原理、逻辑符号及逻辑功能。这部分内容涉及的电路结构多种多样，工作原理和逻辑功能也各不相同，内容相对枯燥、抽象。教员在讲解及学员在学习这一部分内容时，必须清楚意识到这是课程的核心基础，引导学员熟练掌握这些核心的基本单元电路。

模块三：电路的分析与设计方法。数字系统中常用的各种数字部件，就其结构和工作原理而言可以分为两大类：即组合逻辑电路和时序逻辑电路。该模块主要讨论的就是组合电路和时序电路的分析与设计方法，涉及的内容有：组合逻辑电路的概念、特点、电路的分析和设计方法，时序逻辑电路的概念、分类、特点、电路的分析方法。这部分涉及的概念、电路都很多，对于初学者而言，容易出现畏难情绪，在学习这部分内容的同时，教员应该设法激发学员的学习兴趣与学习热情，提升他们的学习自信心。

模块四：典型功能电路，即该课程中具有实际功能的电路。重点是各功能电路的基本组成、工作原理、逻辑功能及使用方法。属于组合逻辑电路中的功能电路有编码器、译码器、加法器，译码器的分类较多，应用也非常灵活，可以实现任意逻辑函数和组合逻辑电路，对于初学者而言，存在一定难度。计数器、寄存器属于时序逻辑电路中的功能电路，这部分内容是本门课的重点也是难点，计数器、数码寄存器、移位寄存器，环形计数器等典型功能电路涉及的基本概念、逻辑功能较多，学员在学习的过程中极易混淆，学习起来较吃力。555定时器及其组成的三种应用电路、数模与模数转换器，这些功能电路中既含有数字电路又有模拟电路，属于模拟电路和数字电路的综合应用电路，电路的组成和工作原理中涉及的内容较多，考验学员对已学知识的掌握和灵活运用的情况。该模块中包含的各种功能电路大多数都有集成芯片产品，因此，在学习本模块时教员要强调理论与实践相结合的学习方法，为学员提供动手实践的机会。

3 高阶课堂开展的策略研究

依据《数字电路》课程各模块内容的特点，参考“高阶课堂”开展的方式、方法，《数字电路》高阶课堂的课堂教学设计如下：

3.1 基础理论、基本单元电路

基础理论和基本单元电路是针对《数字电路》课程模块一和模块二的内容。《数字电路》课程的基础理论较多，但是难度不大，如果教员能在课前给出明确的预习目标，学员通过自学，是可以完成这部分教学内容的学习的。因此，针对这部分内容建议采用翻转课堂的授课形式，将课堂上的主动权从教员转移给学员，但是为了强化内容，帮助学员掌握重难点，提高学员举一反三的能力，可以增加随堂测验的环节。

单元电路是构成功能电路的基石，是数字电路的基础。其中除了有部分的理论知识、学科常识以外，均是各单元电路的相关内容。教材上、网络的学习资料中关于各单元电路相关内容的介绍相当详细，可以以学员自学为主，然后采用翻转课堂等形式检验学员的学习效果;对于单元电路的应用部分可以课下组织学员查资料或者课堂上以讨论、测验等形式开展。两个模块内容的具体的开展方法和能力培养情况如表1所示。

3.2 基本方法、功能电路

基本方法和功能电路是针对《数字电路》课程模块三和模块四的内容。《数字电路》课程的基本方法是分析和设计数字电路的方法，是本课程的核心内容。组合电路和时序电路的分析、设计方法是固定的，但是具体的案例非常多，灵活多变。对于方法的学习，可以以学员自学为主，然后采用翻转课堂等形式检验学员的学习效果;对于不同案例的分析和设计，可以参考基于项目式的教学方法;由于该部分内容涉及的案例均为实际应用电路，可以依据具体案例让学员利用软件仿真或者搭建实物电路的方法设计出电路。

功能电路是本课程中可以实现具体功能的数字电路，属于对前面三个模块内容的综合与应用。功能电路部分涉及的电路结构多、功能原理多、应用灵活，是本课程的难点所在。对于功能电路的电路组成、工作原理建议以翻转课堂的形式开展，功能电路的应用可以学员课下搜集资料、课上展示讨论，也可以教员提出任务，学员集体讨论，给出方案等多种形式开展。为了帮助学员把握重难点内容，可以进行随堂测验。本课程贴近实际应用的功能电路基本都在本模块给出，可以组织学员利用软件仿真或者搭建实物电路的方法设计出具体电路，提升学员的学习自信心和学习乐趣。开展方法和能力培养情况如表2所示。

4 结束语

虽然国内外对高阶思维理论的研究较多，对高阶课堂的推崇也较强，但是针对具体课程探索建设高阶课堂的案例寥寥无几，本文以《数字电路》课程为依托，以高阶学习作为主要参照标准，构思教学活动中的各个环节，构建《数字电路》高阶课堂，提高学员的高阶思维能力和综合素质。

参考文献：

[1] 劉晓玲.高阶思维能力培养[J].中国冶金教育，2020（5）：20-22.

[2] 杨文若.浅谈如何从低阶思维迈向高阶思维[J].天天爱科学（教学研究），2020（12）：21.

[3] 李娜.优化教学策略，培养学生高阶思维[J].数学大世界（上旬），2020（11）：72.

[4] 钱晶.深度学习与高阶思维培养[J].数学大世界（上旬），2020（11）：78-79.

收稿日期：2021-08-31

基金项目：本文获得海军大连舰艇学院基础部2020年度科研预研课题资助

作者简介：宋阳（1989—），女，满族，辽宁抚顺人，海军大连舰艇学院基础部，助教，硕士，主要从事电工电子技术方面的教学。