案例教学法在数字逻辑教学中的应用

2019-05-21 版权声明 举报文章

摘要:针对传统以教师为中心的教学方法存在理论和工程实际脱离的问题,探讨案例教学法在数字逻辑课程中的应用方法。在分析案例教学法内涵的基础上,提出结合课程目标和课程特点,有效引入开篇案例建立理论和工程概念的桥梁,设置开放性案例引导学生主动探究问题的兴趣,培养学生的创新意识。在此基础上,通过建立多元考试方案和评分方法鼓励学生积极参与教学过程,取得良好成效。

关键词:案例教学法;数字逻辑;创新意识

随着嵌入式系统的发展,硬件可编程芯片人才的社会需求日益增大。作为计算机专业的硬件基础课,数字逻辑一方面需要为学生硬件课程的学习奠定坚实的理论基础,另一方面需要培养学生扎实的硬件工程素质和对硬件课程的强烈兴趣。然而,目前数字逻辑的教学效果并不理想,学生多停留在理论学习和习题解答上,对工程问题缺乏思考和解决能力[1]。事实上,随着数字逻辑课程建设的发展,包括我院在内的很多高校在数字逻辑教学内容设置上增加了基于硬件描述语言的现代设计方法,内容随着技术发展进行了更新。然而,这并没有在实质上激发学生的创新意识。以教师为中心的传统教学模式,没有在教学过程中为学生提供发现问题、独立思考问题、解决问题的空间,影响了学生主动性的发挥,阻碍了对学生创新能力的培养。因而,探索如何改进传统的以教师为中心的教学模式,培养学生的自主学习意识,重视讨论式、研究式学习方式的培养,在数字逻辑课程教学过程中加以实施,对提高教学效果,培养应用创新性人才具有重要意义。

案例教学自1920年在美国问世以来,被认为是一种卓有成效的教学方法。运用案例教学法组织经济管理类课程的教学活动,并用案例分析来考核和评价学生学习成绩的优劣,己收到良好的效果。具有明显的目的性、启发性和客观性,案例教学符合当前教学方法改革的要求[2-4]。作为为培养未来计算机工程师奠定重要硬件基础的数字逻辑课程,不仅要培养学生的理论基础,更需要培养学生树立很强的工程意识,养成良好的工程素质。面向这一需求,我们在课程教学中引入案例式教学方法,阶段性地设计一些具有工程性质的案例,鼓励学生面向案例解决方案加以讨论,分析方案的设计架构、思路,根据所学专业知识提出改进方案,并对其方案的可行性展开广泛讨论和验证。下面笔者从案例设计和考核方法等几个方面,对基于案例教学法在数字逻辑课程中的应用方法加以探讨,力图为应用创新人才培养教学模式研究提供实践经验。

1案例教学法内涵分析

案例式教学模式是研究型教学的模式之一,在管理、金融等学科的课程教学中得到了成功应用。其本质在于基于真实案例展开深入讨论、分析,通过学生共同参与,提升其对理论和实践的认知水平,提高学生分析和解决问题的能力,达到教学目标。

案例教学法目前常见的几个典型定义有:①教师根据教学目标的需要,采用案例进行讲解及组织学生对案例进行研讨,引导学生从实际案例中学习、理解和掌握一般规律、原则、方法及操作实验,从而有效地将理论知识和实践技能相互结合。②在教师的精心策划和指导下,根据教学目的、教学内容的需要,运用典型案例,将学生带入特定事件的现场,深入分析案例,以提高学生分析问题和解决问题的能力。③利用以真实事件为基础所撰写的案例进行课堂教学,让学生对案例进行分析、讨论、交流,充分表达自己的见解,以达到高层次的认知学习目标。④通过一组案例提供高度拟真的情境,让学生尝试在分析具体问题中独立作出判断和决策,以培养学生运用所学理论解决实际问题的能力[5]。

从上述定义可以看出,与传统的以教师为核心的教学方法相比,在案例教学法中,学生是教学过程的主体,通过学生自主对案例的分析、讨论和参与,达到教学目标。因此,案例教学法中案例的设计是关键,正确引导学生参与,则是教师在整个教学过程中所起的作用。在基于案例的教学法中,重要的基础就是案例的选择和设计,以及教学过程引导方法的设计。

2阶段性引入案例,建立理论与工程概念的桥梁

在多年的教学过程中,我们发现,理论方法的掌握并不是学生学习的主要障碍,其主要问题是缺乏理论知识和实践问题认知的沟通。虽然实验教学过程对此可以有所改善,但课堂的理论化教学仍然分割了学生对理论和实践联系的认识。因而,在教学过程中引入工程性问题,从问题中抽象出概念,可使学生更容易理解理论概念,有益于培养他们更强的工程意识,将理论很好地应用于实际问题的解决中。在教学过程中,主要引入两类案例。一类是一开始引入开篇案例,帮助学生理解抽象概念;另一类是在一定的学习基础上引入综合性较强的案例,建立完整的知识体系,培养学生的工程意识和创新意识。

2.1设计开篇案例,帮助学生理解抽象概念

在学习组合逻辑的功能电路的设计阶段,我们发现学生对译码器、编码器等逻辑功能接受比较困难。抽象的功能表描述,往往使学生不知所云,很难理解功能表中表述的输入和输出的逻辑功能具体含义。因此,在课程教学工程中,我们结合实验和生活经验选择了下面的一个案例,力图从学生熟悉的日常生活概念中抽象出逻辑概念,提出问题,进而学习设计方法,收到了比较好的效果。以编码器的学习为例,本课程选用竞赛用抢答电路设计为案例。该案例描述如下:设计一个多人抢答器电路,应用于知识比赛中,假设有八个组,每组一个抢答按键,抢答器电路能够识别哪个参赛组最先按下按键,并将该组的编号显示在数码管上。其示意图如图1所示。在编码器介绍的开篇,首先给学生引入该案例,让学生围绕该案例思考几个问题。

1) 抢答器电路的输入和输出是什么?

2)输入和输出在数字电路中的表示形式是什么?

3) 输入转换为输出的内涵是什么?

4) 这种类型电路还有哪些可能的应用?

显然,学生根据生活常识,很容易确定输入是“按键按下”的状态。即有否按键按下,哪个按键最先被按下。电路的作用就是响应最先抢答方的按键按下状态,对其他按键则不予响应,输出则为抢答方的编号。这种形式抽象为数字电路中的逻辑变量,就构造出如表1所示的真值表。具有类似功能的电路还有数字键盘电路,实现10个数字按键对应按键的数字码输出。不同的应用功能具有相似的逻辑表述,而实现这种输入到输出的转换功能就是编码器。图2为其逻辑符号,左边为输入I0,I1……In,即参赛各方的按键;右边线表示输出,即抢答成功组的编码。进一步围绕该案例,很自然地可以将输入输出的物理形式和逻辑表示形式问题呈现给学生。通常可以设计在课堂上提出这一问题,并引导学生结合前面介绍的码制和数制进一步探讨该问题。

案例的引入将原本抽象的编码器具体化,学生一方面比较容易理解编码器的含义,另一方面又能体会编码器的应用。在学生将抽象的编码器功能表理解后,再围绕该功能展开基于门级设计介绍内部电路,基于中规模芯片实现功能电路设计,并学习基于硬件描述语言的设计方法。多层次、多方位的引入将实际工程问题抽象并转换为逻辑电路设计问题,最后选用相应的方法设计实现。

总之,在案例式教学模式中,实例设计是一个关键点。引入具有工程性的实例作为开篇,通过实例分析,确定待解决问题的目标、任务,可让学生明确可能存在的知识点,带着问题去听课,在掌握相应理论和工程方法基础上,对实例的解决方案加以总结。

数字逻辑课程实例的设计是一个难点。作为一门专业基础课,由于学生尚未具有足够的知识积累思考复杂的设计任务,因此实例设计不能过于复杂,但也不能停留在一般的例题形式,这样无法激发学生的创新思维,不利于工程意识的培养。因而在课程建设中,教师要以课程大纲为目标,选择适当案例进行简化、裁剪,在开始章节要选择接近日常生活的问题规划案例,随着知识学习的积累,再逐步选择专业性较强的案例,由易到难、由简到繁。

2.2设置开放性案例,引导学生主动探究问题

案例教学法是在学习了一定专业知识的基础上,通过学生独立思考、相互讨论和教师启发获得案例问题的解决方案。这里问题求解的自主思考能力和方案可行性分析、判断能力是培养的主要目标。因而在教学的一定阶段,需要规划具有综合性的题目,引导学生采用不同的解决方案,鼓励学生通过课下习题、仿真实验,对方案加以验证,适当地组织一些课堂讨论。对某些案例中学生提出的较好方案,教师要安排学生在课堂上进行论述,并广泛展开讨论,通过学生之间的经验分享加深其对知识点的掌握,提高学生的自主探究意识。

该类案例设计的要点是对基于不同方法的设计加以比较。以抢答器的设计为例,在开篇中,该案例帮助学生理解编码器的逻辑功能;在学习了编码器的功能和引入芯片的概念后,教师可以给学生提出问题:如何用编码器来实现该功能?同时利用硬件描述语言又如何实现?如何应用门电路加以实现?在学生提出解决方案后,教师将不同的设计方案加以比较,组织学生对方法的异同、优劣展开讨论,寻找规律。在学生主动参与的过程中,激发其探究问题的兴趣。

另外,设计这类案例的重点是要综合多个知识点实现系统设计。例如,在学习完计数器后,可以针对抢答器设计进一步提出设计要求,增加抢答时间倒计时的功能。如果规定时间内未有人抢答,则问题无效,继续下一个问题。显然,这要通过增加减法计数器实现。进而可以提出增加记分器的设计,将加法器与寄存器的概念融入案例中。这种案例的设计可使学生对所学功能模块在实际工程问题中的应用以及系统级的设计方法有更为清晰的认识,有助于学生建立系统的概念,避免知识点的孤立,从而建立更强的工程意识。

3建立有效激励机制,发挥教师的引导作用

3.1完善备课计划

由于多年来养成面向高考的学习习惯,学生并不太习惯自主学习,讨论课比较难以展开;同时由于学生知识面和经验的欠缺,在以学生为主体的讨论课堂中,教师不仅不能完全放手,而且更要全程参与,通过对课堂的控制和有效引导,启发学生思考和推进讨论气氛。这种参与建立在教师扎实的知识基础上。在备课过程中,教师要建立更为详实的教案,就可能出现的问题加以罗列,规划、启发和引导学生开展开放性思维活动的命题,引导学生提出不同的方案,特别有意识地引导学生注意知识点之间的关联关系,启发学生对不同的方案加以分析,研究和设计一些讨论场景,从而引发学习者的自主学习兴趣与主动性。

3.2培养学生创新能力的多元考试方案和评分方法

合理地设置考核方案,也是鼓励学生讨论积极性的有效方法。案例教学法有助于培养学生开发分析、综合及评估能力等高级智力技能,因而设置评价体系的时候,要综合采用多元的评价体系,结合传统的笔试,增加方案设计报告评价;同时对过程要给予奖励, 不仅评价其设计方案,对学生参与讨论的积极性以及能够提出有价值的评判问题和归纳出有价值的结论,也要给予鼓励。具体在设计评分标准时,要充分考虑各种因素,包括关键问题、问题相关性等。

4结语

数字逻辑是一门传统的专业基础课程,有很多经典的内容,随着现代电子制造技术、可编程器件和EDA平台的发展,又发展了许多新的内容。面对丰富的教学内容,如果孤立地讲授,会让学生不知所措。因而在具体教学过程中,教师应结合实际引入和简化一些工程问题,帮助学生将繁多、抽象的概念、方法具体化,由浅入深地将知识点结合起来,帮助学生建立更强的工程概念。面向案例的自主学习和讨论,可培养学生的开放性思维方式和面向实践的工程意识,通过阶段性引入案例,达到较好的教学效果。在后续的教学过程中,我们还有待建立更多案例,并根据教学实践编写相应教材,同时完善教案和评价体系,进一步提高学生的工程创新意识。

参考文献:

[1] 邓春健,李文生,石建国,等.“数字逻辑电路”教学改革与实验平台建设[J]. 实验实训与实践教学,2009(10):139-142.

[2] 尹子民,张彩虹. 案例教学方法的探讨与应用[J]. 辽宁工业大学学报:社会科学版,2008,10(5):93-96.

[3] 吕志平. 现代高等教育的案例教学研讨[J].中国科教创新导,2008(31):125.

[4] 宋高初. 论法学案例教学法[J]. 浙江师范大学学报:社会科学版,2009,34(1):102-105.

[5] 郭晓红,关海霞,徐洪政. 案例教学法本质内涵及特征分析[J]. 哈尔滨金融高等专科学校学报,2008(96):67-68.

Discussion on Case Study Approach Application in Digital Logic Course

JIA Xibin

(College of Computer Sciencs, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract: Aiming to the problem of isolation between theories and engineering practices, which exists among the traditional teacher-centered education methods, the paper discusses how to introduce the case study approach in Digital Logic course. On the basis of analyzing the attribution of the case study approach, the paper proposes the way of introducing the effective open cases to build the bridge between theories and the engineering conception and setting the opening cases to improve the learning interests and cultivate the sense of innovation, according to the course goal and the characteristics of course. On the basis of the above effort, the multi-modal exam scheme and evaluation metrics are established to encourage the participation activity of the students. Through the practice on Digital logic course, it had been proved that the introduction of case improves the learning effect and cultivates the positive attitude on the hardware course

Key words: case study approach; digital logic; sense of innovation

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