物联网专业电子技术虚拟仿真教学探析

物联网专业电子技术虚拟仿真教学探析

摘要:本文以触发器章节中的JK触发器内容为案例,以计算机虚拟仿真教学为核心,分别从教学内容、教法与学法、教学过程设计、课程思政、总结与思考共五个方面来探究物联网专业数字电子技术课堂教学方法,尤其将虚拟仿真验证法、任务导向法、多媒体演示法和兴趣培养法融入课堂教学,并配合自主探索学习法,实现教和学的融会贯通。课堂实践表明,学生学习兴趣有了较好的提升,获取知识能力也有了进一步提高,整体教学效果得到明显改善。

关键词:物联网专业;虚拟仿真;数字电子技术;课堂教学

1引言

在物联网专业基础课程“数字电子技术”传统课堂教学中,存在学生感觉所学知识枯燥、不知所学知识有何具体实际应用及如何应用、理解困难、学习兴趣不高等现象。为此,本文以JK触发器内容为例进行教学设计,以虚拟仿真验证法和任务导向法为核心,并融合多媒体演示法和兴趣培养法于教学中,并探究该方法的教学效果。其中教学内容主要包括JK触发器的电路结构、逻辑功能、真值表及其典型应用[1]。知识目标为通过类比的方法让学生了解JK触发器的电路结构,通过测试集成电路74LS112D的功能让学生归纳并掌握JK触发器的一般逻辑功能。能力目标为通过学生动手仿真测试74LS112D数字电路功能,培养学生主动观察、分析归纳和动手操作的能力。教学重难点为JK触发器的逻辑功能、测试分析及其典型应用。

2教法与学法

2.1教法。(1)虚拟仿真分析验证法:采用电路仿真软件Multisim来对所学电路功能进行验证分析[2],强化学生对所学电路工作原理的掌握,可进一步提升教学效果。(2)任务导向教学法:通过设置合理的学习任务,并以任务指导书的形式在课前下发给学生,让学生提前了解课程学习内容,引导学生带着任务有目的地进行学习。(3)多媒体演示法:利用多媒体课件来展示JK触发器电路结构图及其管脚排布,可以全面清晰地向学生展示电路结构,提高上课的效率。(4)兴趣培养法:抛弃传统教学直接讲解具体结果的方式,采用先测试再分析的教学过程设计,即先对74LS112D的具体功能进行虚拟仿真测试,并根据具体测试结果来分析电路功能,在一定程度上可激发学生的学习兴趣和求知欲,提高学生的探索欲望。

2.2学法。本课程着重培养学生的学习、实践和创造能力,探索以学生主动思考为主、老师启发引导为辅的教学模式[3]。课前,老师下发学习任务,明确学习内容,学生积极预习。课中,老师通过在学习方向、方法和进程上引导学生积极、主动参与整个教学过程,努力加强师生交流,实现师生双向互动,进而调动起学生的求知兴趣和探索欲望。课后,总结学情,补差推优,共同提高。总之,通过全方位的教和学,使学生在掌握住知识技能的同时,还能把握住知识的学习方法和问题的解决方法。

3教学过程设计

3.1课前准备。授课地点为多媒体机房;学生每人配置1台电脑(带Multisim软件);教具为PC机、自制多媒体课件;提前向学生下发任务指导书。

3.2复习与新课导入。完成任务一:先采用点名软件随机抽取两位学生,一位在黑板上画出同步RS触发器的电路结构和状态功能表,另外一位回答如何测试集成触发器的逻辑功能,并根据实际情况进行分析点评。然后利用多媒体放映一张中国诗词大会中选手正按下抢答器的画面,让学生猜测图中画面的节目名称,并重点关注各个选手手下的按钮功能是什么。由于大部分学生对这个画面比较熟悉,因此,他们会说是中国诗词大会,选手按下的是抢答器。接着顺势引出中国好声音、非诚勿扰等电视节目中均应用了抢答器。这样可在一定程度上激发学生的求知欲。接下来告诉学生,这节课将会带领大家一起揭秘抢答器的神秘面纱。需要了解抢答器的重要组成部分,即JK触发器。此时,成功让学生把抢答器和JK触发器扯上关系,在一定程度上激发了学生继续学习的欲望[4]。

3.3讲授新课。(1)JK触发器电路基本结构。黑板板书分析。边讲边画出JK触发器电路结构,并对其详细分析讲解。多媒体演示。通过多媒体课件演示在同步RS触发器的基础上,引入两条反馈线,当CP=1、R=S=1时,使得QRQS、,此时会发现当R=S=1时,RS触发器输出不确定状态的现象消失了,同时把S、R输入端改成J、K输入端,这样就形成了JK触发器电路。(2)J探究K触发器具备的逻辑功能。多媒体演示。充分利用多媒体课件演示并讲解74LS112D的管脚排布图,在节约时间的同时,可将图放大演示,便于学生看清楚管脚的具体排布。学生完成任务。如图1所示,在虚拟仿真软件Multisim中为74LS112D接好线,为测试做好准备。共有7根线需要连接,其中2根电源线、3根输入端接线(1J、1K和1CLK,其中1CLK对应前面的CP端)和2根输出端接线(分别接线1Q和~1Q)。学生在前面的学习中曾多次练习类似的接线,整个接线过程基本没有问题,但仍老师需要巡视检查一遍,以避免个别学生出现某些问题。学生完成任务二。通过Multisim仿真测试出JK触发器74LS112D的具体逻辑功能,完成如表1所示的全部内容。在以上操作的同时,老师还可引导学生如何去进行测试,让学生体会到测试的过程在某种程度上比测试结果更重要。虽然此部分稍微且有点复杂,但其仍是基于前面RS触发器的学习和测试,任务完成效果良好。老师引导,学生完成任务三。根据任务二得出结论(功能有置0、置1、保持和翻转四种选项):(a)JK触发器是一种(上升沿或下降沿)有效的触发器。(b)当J=0,K=0时,JK触发器具有功能;(c)当J=0,K=1时,JK触发器具有功能;(d)当J=1,K=0时,JK触发器具有功能;(e)当J=1,K=1时,JK触发器具有功能。为了解JK触发器为何具备以上功能,需要从电路的结构来进行分析。(3)分析JK触发器的工作过程。黑板板书分析电路的工作过程分析。课件展示。此部分重点是从理论角度分析JK触发器电路的具体工作过程和逻辑功能,并总结出该触发器的对应特点。同时要求学生核查任务二和任务三完成的具体情况,并与老师讲解分析的结果进行对比分析。该过程主要是教师讲解、学生理解。(4)学生完成任务四,即画出JK触发器的逻辑符号。该部分需重点讲解CP的画法,特别要讲解清楚CP带有和不带有小圆圈分别对应的不同含义,及其对应的电路需要如何去画。

3.4教学小结。(1)总结JK触发器的逻辑功能及其主要特点,并与RS触发器的逻辑功能及特点进行对比分析[5]。(2)总结JK触发器的逻辑符号的画法及其在具体电路中的识别方法,并与RS触发器的逻辑符号进行对比分析。

3.5作业布置。(1)依据课堂所学内容,快速画出JK触发器真值表,并依据真值表得出对应结论。(2)试根据所学知识先分析图2抢答器电路工作原理,其中KA、KB和KC为抢答键,KR为复位键,由裁判控制,并利用计算机虚拟仿真软件Multisim进行仿真电路搭建,同时验证其实现功能是否与分析结果相吻合。注意在教学过程中,事先不告诉学生该电路的具体功能,让学生依据所学知识分析该电路并画出对应的真值表,最终确定该电路的具体功能。

3.6任务书设计。共五个任务。任务一在复习与导入环节完成,主要目的是进行复习与巩固练习上节课的重要知识。任务五为布置的作业,需要在课后完成,并在下次上课时进行提问,目的是为了加强本节课重点内容的学习和应用分析。其它三个任务在课堂上完成,具体内容如前文所述。任务书设计遵循环环相扣、循序渐进的原则。通过任务书,学生对所需知识了然于心,学习的目的性和引导性更强[6]。

4课程思政

时代的发展对教学提出了更高要求,不但要教会学生学习书本知识,还要引导学生积极对待学习和人生。本次课程思政内容:从RS触发器到JK触发器再到将要学习的边沿触发器,在这个变化过程中,触发器的结构逐渐变得复杂,触发器的功能也得以逐步完善,正如人生的成长过程。因此,教导学生在学习生活中,遇到困难不要轻言放弃,成长路上的每一次微小进步,都在为向前跨越一大步做准备。课程思政可激励学生不忘初心,努力克服学习过程的种种困难,树立远大目标,实现人身价值。

5总结与思考

课程以计算机虚拟仿真为核心,以向导任务为主线,使学生了解学习的具体任务、学习内容验证效果以及知识的具体应用,避免了学生学习枯燥、理解困难、学习兴趣不高等现象。本教学方法已应用于江西服装学院2018级物联网应用技术专业学生的实际教学中。实践表明:同传统教学模式相比,大部分学生学习效果良好,总体上达到预期教学目标,极少数学生获取课堂知识的效果未能达到预期目标。因此,在后续教学中,还需要在分层教学方面多下功夫和积累经验。

作者:王斌 单位:江西服装学院大数据学院