翻轉課堂在《電子EDA技術》課程中的應用與實踐*

高新華，鐘福如，田 敏，周 濤

（石河子大學 信息科學與技術學院，新疆 石河子832003）

一、引言

翻轉課堂是信息技術催生的一種教學模式，它將基礎知識的學習放在課前，課堂上則用于答疑解惑，合作學習，內化知識點。翻轉課堂契合了信息化時代學生學習的新變化，即通過微課進行碎片化學習，借助網絡實現個性化學習，教師在學生的學習過程中充當輔助角色、導演角色，和學生是亦師亦友的關系，幫助引導學生學習。因此，翻轉課堂既鍛煉了學生合作學習的能力和創新能力，又有助于教師實現因材施教，打造高效課堂。目前大部分高校仍然采取“老師在課上演示，學生在課下操作”的傳統教學模式[1]，忽視了學生的差異性、創新性、互動性及個性發展，不重視學生的質疑及自主探究能力的發展。究其原因，一方面是教師的教學理念沒有改變，覺得教材上的知識點都很重要，多講可以讓學生較好地記憶知識；另一方面由于翻轉課堂本地化不夠，還沒有非常成功的可借鑒的案例和教學模式。盡管如此，翻轉課堂已經成為教學改革的一個趨勢，許多教師開始嘗試采用翻轉課堂授課[1-3]。但是翻轉課堂要求教師具有較高的信息素養，同時要求學生具有較強的自律、自學和自主探究能力。這導致目前課堂翻轉在實際教學中往往只進行了形式上的翻轉，即課前觀看視頻和查找資料，課堂上討論和練習，很難達到提升教學效果的目的。

研究表明[4-6]，課堂教學活動設計是核心，課前的學生自學是關鍵。那么，如何做好這兩個環節驅動學生積極主動學習呢？筆者結合基于項目的學習（Projectbased Learning，簡稱PBL）和翻轉課堂兩者的優勢，在《電子EDA技術》課程中構建了一種課堂教學設計模式，為高校高等教育改革實踐提供可借鑒的經驗。

二、PBL的概念和內涵

1.PBL的概念

PBL通過“項目”來實施課堂教學,強調讓學生明確學習目標，在嘗試探索、交流等自主學習活動中勇于探索，大膽分析、提問、質疑，在感悟中發現，在發現中創新。信息時代，學習資源的極大豐富和信息獲取的方便、快捷，也為PBL教學模式提供了一個良好的技術支持平臺。基于項目的學習基本過程包括：提出問題、集體討論、確定項目、查詢和閱讀文獻資料、制定實驗或調查方案、數據搜集和分析處理、整理研究成果和撰寫研究論文、報告或設計產品等[7]。總的來說，基于項目的學習模式強調過程學習，強調以學生為中心，追求對學生高階能力的培養,實現深度學習。

鑒于PBL的優勢，其已經成為國外研究性學習的主要模式之一，國內的教育工作者也紛紛將其引入課堂。新疆農業大學的時磊將課外實踐和大學生創新訓練計劃結合，在《動物學》課程中實施PBL教學模式，發現該模式有助于滿足課程教學改革新要求和培養學生的創新能力及實踐能力[7]。鄔彤將PBL教學模式運用到信息技術課程中，認為可以整合課程知識，提高學生的綜合素養[8]。馬納克將PBL引入到《大學英語》課程教學中，提出在教學實施過程中注重“項目”和“小組合作學習”兩個環節，增加了課程的開放性和挑戰性[9]。杜世友將PBL應用在 《教學系統設計》雙語課程中，證明PBL模式下的課程教學效果包括期末考試成績和學生學習態度明顯優于傳統教學模式。[10]

2.翻轉課堂和PBL

翻轉課堂打破了知識接收與知識內化的時間順序和空間，將知識內化的地點放在教室，通過教師和同學的幫助，提高知識內化的效率。所以，無論是PBL還是翻轉課堂，均強調主體為學生，教師幫助學生搭建學習支架。由于國內主要以學習成績特別是期末考試成績作為判斷教學效果的重要指標，對批判性思維、創新能力和知識遷移等深度學習能力方面涉及較少，同時對過程評價也不夠重視，因此翻轉課堂仍處于探索實踐階段，還未能最大限度地發揮其優勢。但深度學習和深度思維對于創新人才非常重要，是創新的源泉。黎加厚教授認為深度學習是指在理解的基礎上，學習者批判性地學習新思想和新知識，將它們與原有的認知結構相融合，將眾多思想相互關聯，將已有的知識遷移到新的情境中去，做出決策并解決問題的學習[11]。翻轉課堂要求學生課前進行知識的學習，課中進行知識的內化和遷移，課后進行知識的鞏固和深化，這一過程本身就是由淺表學習走向深度學習的過程。同時，翻轉課堂拓展了教學的時間和空間，突出了學生的主體性，正是對深度學習的有效支持。翻轉課堂和PBL具有同樣的追求目標——實現深度學習，因此二者具有天然的相互支持性。

表1 項目教學的內容

三、基于PBL模式的翻轉課堂實施策略

1.實施模塊化教學，整合重構教學內容

《電子EDA技術》是一門語言兼工具類課程，理論知識瑣碎而繁多，對實踐能力要求很高。筆者希望能以實際項目為紐帶，串起該課程各個知識點，突出主要目標，根據PBL教學理念，通過項目實施讓學生邊做邊學。因此，筆者基于翻轉課堂的教學理念對課堂教學內容進行了優化設計，分為8講：

（1）緒論。有研究表明，中國乃至東方人的學習習慣是“先見森林，再見樹木”[11]，因此緒論就顯得很重要。本講除了在線學習外，還專門花2個課時面對面教學，學生通過對本門課程大概的了解來提高學習效率；

（2）原理圖仿真設計。要求學生掌握EDA的設計流程，原理圖學生比較熟悉，起了承上啟下的作用；

（3）組合邏輯電路設計。讓學生熟悉基本語法，體會自上而下的現代電子設計理念；

（4）時序邏輯電路設計。借助D觸發器和計數器等，體會時序電路“不完整語句”的特點；

（5）狀態圖設計。升華理解時序電路的設計；

（6）開設討論課。針對易錯和心得體會進行討論和演說，交流經驗；

（7）DDS的仿真設計。讓學生體會到復雜項目的設計流程，撰寫報告的格式與重要性；

（8）課程大論文的匯報檢查。大論文以小組合作學習的方式完成，模擬真實的項目設計過程，通過考查的方式督促學生對本課程內容進行回顧與總結，本講實際花費時間可能不止4學時，一方面檢查時間不夠用，另一方面學生也不一定能按時完成。

教學目標確定后，開始擬定具體的項目，本課程擬定了流水燈、交通燈等8個項目，如表1所示。部分知識點在練習中體會掌握，部分知識點在自學后通過課后測驗加以強化。

2.優化課堂結構，講練結合

傳統的課堂教學是2學時/次，但是 《電子EDA技術》是實踐性很強的一門課程，本著“以練促學”的教學思路，采取課堂訓練為主，討論結合的方式進行課堂教學。這樣2學時/次的課堂時間顯得有些捉襟見肘了，因此我們安排4學時/次。在課堂結構上采用“171”模式，即教師導入、學生分組并合作討論質疑的問題、學生展示教師總結花費時間的比例為1∶7∶1。課前一天對學生反饋的問題進行匯總分析，制定教學方案。課中將學生普遍存在的問題進行分析講解引出新的課題內容，由學生進行電路的設計仿真，并進行匯報。期間教師進行指導和講評。和傳統教學方式相比，將課堂延伸到了課外，通過不斷督促學生課后進行回顧和反思，培養學生持續學習和終身學習的習慣。教學流程采用西南交通大學范怡紅老師的方案，如圖1所示。

圖1 基于項目教學的教學流程圖

3.強調過程考核，培養學生思考問題的能力

過程考核的目的主要是體現公平，避免一考定終身。對教學效果的評估主要由兩方面構成：平時成績及期末考試成績，兩部分成績均有考核量表進行評定。過程考核關注學生在整門課程學習中的表現，學生要得到優秀就必須各階段都認真對待，這種考核方式讓學生抄襲和投機的動機降低。由于課程的實施不斷有問題的引導，學生發現問題和解決問題的能力也得到了激發，提升了創新能力。大數據等信息技術保證了教師能實時掌握學生學習動態，對考核的結果進行多方位的分析，從而能靈活調整授課方式和策略，促進學生學習。

4.重視課前資源建設及任務書的設計，提高學生的學習興趣

教師對網絡教學平臺上傳的資料包括微視頻、課件PPT、學習資料、實驗指導書等，開放討論區功能，及時得到學生的反饋來進行教學方案的設計。課前自學任務書是翻轉課堂的關鍵文件，需要有針對性，不能脫離班級學情。通過課前自學任務書的學習后，回到課題進行重度體驗，實現知識的內化。好的課前自學任務書有利于引導學生快速有效地學習，從而提高課堂的教學效果，實現高效課堂。同時，引導學生對背景、問題進行思考，提升探索未知世界的能力和學習興趣，增強了翻轉課堂的實施效果。

四、結果與反思

該課程實踐性強的特征決定了其課程考核主要以作品的形式進行評價，同時，我們也通過筆試考查學生對基本概念的理解記憶。通過分析期末總評成績和學生學習過程中的表現，得到以下幾點結論：

1.端正了學生的學習態度

在學習過程中，不同階段學生需要制作不同的可展示的作品，這就要求學生保持持續的學習壓力和動力，同時項目的趣味性和展示性也讓學生保持一定的學習興趣。翻轉課堂教學模式的實施保證了學生可以在課外進行較為高效的學習，并獲得教師的及時幫助，從而使得學生的最近學習區得到有效拓展。大多數學生端正了學習態度，從“要我學”轉變為“我要學”，整個課程的實施過程中學生要不斷思考，保證了學習的有效性。從外在表現看，學生課堂上玩手機的少了，無效學習的時間少了，交流多了，課后學生之間的協作學習多了。

2.培養了學生的動手能力，并激發了學生的學習興趣與潛能

每一次課都有一個任務要完成，動手技能得到較為充分的鍛煉，同時又融入了理論，保證了學習的可持續性。循序漸進的任務引領、小組合作學習，可以讓每個學生都能進行動手實踐，從而對本門課程的學習興趣與潛能得到激發。通過一個任務的實現，大多數學生都可以用VHDL語言來設計電路的仿真和驗證，甚至進行故障分析，學生的協作、匯報交流能力也得到了提高。

3.學生的創新能力有了提升，向深度學習轉變

將翻轉課堂和項目實踐教學模式相結合，學生在完成項目的過程中掌握課程知識要點，還可以體驗技術創作的艱辛與樂趣。小組合作學習和先學后教的方式培養了學生的協作能力、問題解決能力和創新意識，改變了以往的學習方式。本門課程主要應用VHDL語言進行電路設計，對學生的學科基礎要求較低，自由發揮余地較大，因此學生的創新和自學探索能力得到更好的發揮。項目設置的開放性和挑戰性以及翻轉課堂保證了對學生解決問題能力和批判性思維能力的訓練，學生的學習方式向深度學習轉變。例如在設計論文時，我們要求自主選題，學生展現了他們的無限想象力，各式各樣的電路結構被設計出來。同時，項目式教學讓學生更有成就感，也大大提高了學習興趣。

4.反思

和部分文獻暴露出來的問題類似[13]，在《電子EDA技術》翻轉課堂教學模式中，部分學生并不適應，主要表現為自學效率很低，習慣于教師講授。但是我們現在還只能選擇一種模式進行授課，難以做到因材施教和個性化學習，這還需要學校從管理的角度進行優化和統籌安排。另外，專業課程教師面臨科研壓力和教學團隊的限制，難以在教學活動設計中投入更多時間進行完善，這使得翻轉課堂教學模式的優勢沒有得到更好的發揮。