數(shù)字電路與數(shù)字邏輯課程多課堂協(xié)同教學模式改革

李如春，金 燕

（浙江工業(yè)大學 信息學院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

國家教育與改革中長期規(guī)劃綱要（2011—2020）提出：高等教育的質(zhì)量關(guān)系國家人才戰(zhàn)略的未來。從20 世紀90 年代開始，教育界對高等教育質(zhì)量的評價角度開始由以學校為中心向以學生為中心轉(zhuǎn)變，學生學習質(zhì)量的重要體現(xiàn)即學生的學習成效。

學習成效是學習者學習行為的綜合學習結(jié)果與實現(xiàn)這一學習結(jié)果付出的綜合學習成本之比，即單位學習成本的效果。在學習成效的定性評價方面，比較典型的理論是美國學者Edgar Dale 在1946 年提出的“學習金字塔(cone of learning)”理論[1]，它用數(shù)字形式形象顯示了不同學習方式的學習效果——平均學習保持率，即學習者在兩周后能記住的學習內(nèi)容。金字塔理論指出，課堂聽講、閱讀及視聽結(jié)合的學習方式，知識保留率不超過20%，在金字塔的頂端；而小組討論、實際演練的知識保留率則在50%以上，占據(jù)金字塔的底部。由此，當課程學習以學生的學習成效為目標導向時，傳統(tǒng)的教師課堂講授、學生課后完成作業(yè)的單一教學模式將無法獲取好的效果，須對其進行改革。

1 多課堂協(xié)同教學模式的改革理念

協(xié)同論[2]由德國著名物理學家哈肯在20 世紀70 年代提出。協(xié)同論認為，千差萬別的系統(tǒng)，盡管屬性各不相同，但各系統(tǒng)之間存在著互相影響、互相合作的關(guān)系。協(xié)同效應是指由于協(xié)同作用而產(chǎn)生的結(jié)果，如果一個系統(tǒng)內(nèi)部，各子系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)配合，圍繞同一目標共同努力，就能產(chǎn)生1+1>2 的協(xié)同效應。反之，如果各子系統(tǒng)間相互排斥沖突，使其難以發(fā)揮應有的功能，致使整個系統(tǒng)陷于混亂無序狀態(tài)。

學生的學習場景可以分為第一課堂（課內(nèi)）、第二課堂（課外）、實踐課堂，如何將三者協(xié)同作用，是提高學習成效的一個重要因素。因此，多課堂協(xié)同教學模式的設(shè)計思路是：以第一課堂（課內(nèi)）為基礎(chǔ)，第二課堂（課外）予以輔助，實踐課堂強化知識應用，各個課堂之間以學習成效為共同導向目標，相互之間通過互動、協(xié)作的共同運作，達到良好的協(xié)同效應，取得滿意的學習效果。

在第一課堂即課內(nèi)的教學過程中，學生學習成效的獲取與教學方法緊密聯(lián)系。目前，國內(nèi)高校的課程教學方法主要有以下幾方面。

（1）以教師為主導的講授式教學。講授式教學方法的優(yōu)點在于師生面對面，資深教師可以掌控教學節(jié)奏，對教學內(nèi)容進行深入淺出、富有條理的講解，有利于學生理解和掌握教學內(nèi)容。其缺點是學生被動跟隨，不能主動參與知識體系的構(gòu)建和嘗試解決問題，不利于培養(yǎng)學生的自主學習能力和創(chuàng)新思維。

（2）學生參與度較高的討論式教學法[3]。討論式教學以啟發(fā)式教學思想為基礎(chǔ)，通常包括教師講授、學生討論和教師總結(jié)3 個環(huán)節(jié)。討論式教學需要學生深度參與，不適合學生人數(shù)眾多的大班教學；同時學生需要課前查找和閱讀資料，因此討論式教學更適合于研究生課程教學。

（3）項目驅(qū)動的教學法[4]。此教學法把教學內(nèi)容隱含在每一個項目中，通過項目驅(qū)動教學任務的完成。在項目驅(qū)動教學法中，學生在教師指導下查閱資料、自主學習，通過理論分析和實驗操作完成項目任務，由傳授式教學方法中的被動學習轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W習的主體。

（4）研究型教學法[5]。研究型教學法將科學研究的基本要素結(jié)合到課程的教學內(nèi)容中，通過基于問題的學習、案例分析研究、項目設(shè)計等方式，將課程知識傳遞給學生。這種研究性的探討形式，使學生在掌握課程知識體系之外，還可以體驗科學研究的過程，可以培養(yǎng)學生的綜合素養(yǎng)。

（5）翻轉(zhuǎn)課堂的教學法[6]。在翻轉(zhuǎn)課堂中，教學的重點是學，學生通過網(wǎng)絡(luò)等在課外進行自主學習，教師在課堂對學生的學習活動進行輔助和促進。翻轉(zhuǎn)課堂是對學生學習方式和教師教學方式的一種翻轉(zhuǎn)，對教師和學生均提出了更高的要求。

綜上所述，現(xiàn)行的課程教學，以教師為主的傳統(tǒng)講授式教學方法占據(jù)主流地位，討論式、項目式、研究型、翻轉(zhuǎn)課堂等是教學方法改革的發(fā)展方向，各有優(yōu)點，但無法完全取代傳統(tǒng)講授式。從學習成效金字塔理論的角度考慮，靠上述某個單一的教學方法，難以獲得好的學習成效，必須將各種方法有機結(jié)合。

為提高第一課堂的學習效果，在第二課堂即學生的課外學習中，可以通過網(wǎng)絡(luò)在線推送課前預習資料和課后復習作業(yè)，自動提醒學生完成相應任務，使學生進一步加深對課程內(nèi)容的理解，獲取好的學習成效。

實踐課堂的主要作用是將理論知識進行實際應用，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。為了便于實施，可以采用虛擬實驗平臺與實際實驗操作相結(jié)合的模式，將涉及復雜工程問題解決的設(shè)計實驗利用虛擬實驗平臺進行實現(xiàn)。

2 數(shù)字電路與數(shù)字邏輯課程的多課堂協(xié)同教學模式

數(shù)字電路與數(shù)字邏輯課程是信息類專業(yè)的大類基礎(chǔ)課程，主要介紹構(gòu)成數(shù)字電路的相關(guān)中小規(guī)模集成模塊、數(shù)字電路的分析和設(shè)計方法，課程實踐性較強，需將理論教學內(nèi)容通過實驗加強感性認識。在多課堂教學協(xié)同教學模式中，具體采取如下方案進行教學改革。

1）將第一課堂（課內(nèi)）的課程學習內(nèi)容模塊化，采用多元化的課堂教學方法；在學生的第二課堂（課外）學習中引入“雨課堂”線上平臺，進行課程學習的預習和復習。

模塊化教學的優(yōu)點是可以采用多元化的教學方法，即針對不同的教學內(nèi)容采用不同的課堂教學方法，使課堂教學效果達到最佳。依據(jù)數(shù)字電路課程的內(nèi)容框架，可以將課程內(nèi)容歸類為4 個模塊，分別為數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、組合電路、時序電路、其他電路，依據(jù)前述的各種教學方法優(yōu)缺點，結(jié)合具體教學內(nèi)容，每個模塊所采用的優(yōu)化教學方法見圖1。

圖1 數(shù)字電路與數(shù)字邏輯課程內(nèi)容模塊及相應的優(yōu)化教學方法

圖1 中，各大教學內(nèi)容模塊均基于傳統(tǒng)的講授式方法結(jié)合一種改進型的課堂教學方法。這是因為中國高校的課堂教學學生人數(shù)眾多，內(nèi)容上側(cè)重于知識體系的構(gòu)建，常規(guī)的講授式教學方法還是主流，只能在教學學時允許的前提下，適當開展側(cè)重學生能力培養(yǎng)的改進型教學方法。對于數(shù)字電路里比較重要的兩塊內(nèi)容——組合電路和時序電路，可以采用清華大學開發(fā)的“雨課堂”線上平臺[7]進行課程講授，使信息技術(shù)和教學過程充分融合，形成新的教學模式。

使用“雨課堂”，課堂上可進行實時答題、彈幕互動，為傳統(tǒng)課堂教學師生互動提供了完美解決方案。同時，為提高第一課堂教學的效果，鼓勵學生第二課堂（課外）進行課前預習和課后復習。利用“雨課堂”線上平臺，通過在線推送課前預習資料和課后復習作業(yè)，自動進行任務提醒，學生能進一步加深對課程內(nèi)容的理解，獲取好的學習成效。

2）將第一課堂（課內(nèi)）的學習與實踐課堂有機結(jié)合，協(xié)同作用，使理論知識通過實際應用得以加深理解，提高學習成效。

從學習金字塔理論可知，通過實際演練/做中學的方式，知識保留率可達75%，而常規(guī)的課堂聽講、閱讀以及視聽結(jié)合的學習方式，知識保留率不超過20%。因此，將第一課堂（課內(nèi)）的理論學習與實踐課堂的實驗操作緊密結(jié)合，協(xié)同作用，通過實際演練，提高學習成效。

數(shù)字電路實踐課堂內(nèi)容的設(shè)置及其與第一課堂（課內(nèi)）教學內(nèi)容之間的聯(lián)系見圖2。通過實驗操作和設(shè)計，拓展了理論知識的實際應用，加深了對學習內(nèi)容的理解。

圖2 數(shù)字電路與數(shù)字邏輯課程實驗項目與理論教學內(nèi)容之間的聯(lián)系

3）對于第一課堂（課內(nèi)）的部分教學內(nèi)容，通過第二課堂（課外）的虛擬實驗平臺和互聯(lián)網(wǎng)共享視頻資源進行補充學習和認知，促進學習成效的提高，加強解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)。

利用網(wǎng)絡(luò)課程平臺上的相關(guān)數(shù)字電路與數(shù)字邏輯課程視頻，學生可以在第二課堂（課外）進行觀看，對課程內(nèi)容完成鞏固復習；同時，對于部分教學內(nèi)容，受學時數(shù)的限制，可以布置學生通過課程視頻自學完成。

由于實驗室的操作實驗受器件和實驗設(shè)備的限制，相對復雜的實驗內(nèi)容無法開展，可以通過使用仿真實驗平臺Quartus_II，利用硬件描述語言[8]進行設(shè)計實現(xiàn)并仿真驗證。教師選擇需設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，布置學生課外進行資料查找和電路設(shè)計，并在Quartus_II 平臺上進行實現(xiàn)和結(jié)果的可視化呈現(xiàn)。通過理論聯(lián)系實際，提高學生學習成效，培養(yǎng)其解決復雜工程問題的能力。

4）研究第一課堂（課內(nèi)）、第二課堂（課外）、實踐課堂三者之間的時間如何合理配比，建立多課堂協(xié)同教學模式的綜合評價考核體系。

在多課堂協(xié)同教學的模式中，第一課堂（課內(nèi)）的學時數(shù)是固定的，第二課堂（課外）和實踐課堂的時間配比以及與第一課堂的協(xié)同處理需由教師掌控。為此，教師要組織教學內(nèi)容的漸進性和層次性，在第一課堂（課內(nèi)）學習的基礎(chǔ)上，引導學生合理安排第二課堂（課外）和實踐課堂的學習內(nèi)容和學習時間，促使學生樂于進入探究性學習模式，以達到良好學習成效的目的。

多課堂協(xié)同教學模式需要合理設(shè)計考核體系的各個環(huán)節(jié)，客觀評價學生的學習過程和實踐效果，才能合理評價學生的學習質(zhì)量。可以將課程教學考核評價體系分為過程考核和期末考試兩部分，對于多課堂協(xié)同教學模式，過程考核應涵蓋第一課堂（課內(nèi)）、第二課堂（課外）、實踐課堂3 個課堂的學習效果，建立考核內(nèi)容和評價方式，見表1。

表1 中，每個課堂根據(jù)具體的學習內(nèi)容設(shè)立相應的評價指標和評價等級，最后根據(jù)學習內(nèi)容的數(shù)量和重要性確定其在總成績中的占比。由于實踐課堂中的實驗操作部分是單獨設(shè)課進行考核評價的，因此表中只列了虛擬實驗的考核內(nèi)容。相比于傳統(tǒng)的成績評價體系，多課堂協(xié)同模式的評價體系對過程學習評價的內(nèi)容更具體，涉及面更廣，更能公正有效地評價學生的學習效果。

表1 多課堂協(xié)同教學模式的成績評價體系

3 結(jié) 語

多課堂協(xié)同教學模式以學生的學習成效為目的，探究第一課堂（課內(nèi)）、第二課堂（課外）、實踐課堂三者協(xié)同完成數(shù)字電路與數(shù)字邏輯課程的教學內(nèi)容。通過教師對課程內(nèi)容的精心組織安排，在第一課堂（課內(nèi)）學習的基礎(chǔ)上，引導學生充分利用第二課堂（課外）和實踐課堂對學習內(nèi)容進行鞏固和拓展應用，以達到良好學習成效的目的。在后續(xù)的工作中，教師需要關(guān)注學生對多課堂協(xié)同教學模式的反饋，記錄實際的授課效果，總結(jié)經(jīng)驗并不斷加以改進。