線上線下混合教學(xué)中的貫通式設(shè)計(jì)與探索

李德鑫， 宋曉驥， 杜湘瑜， 余安喜

(國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073)

0 引言

受新冠疫情的影響，在信息技術(shù)的支撐下，線上教學(xué)得到了快速發(fā)展。后疫情時代，線上線下混合教學(xué)已實(shí)現(xiàn)新鮮感向新常態(tài)的轉(zhuǎn)變。然而，混合式教學(xué)在經(jīng)典教學(xué)模式知識點(diǎn)離散化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步形成了教學(xué)過程的空間與時間離散。“時間-空間-知識”的碎片化會對學(xué)員宏觀知識體系構(gòu)建造成較大影響，因此在推進(jìn)教學(xué)改革時必須加以重視。

貫通式教學(xué)，是指在課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課外訓(xùn)練等環(huán)節(jié)中，強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)、課程間、本學(xué)科和其他學(xué)科之間、課堂教學(xué)與實(shí)踐之間的相互聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)知識的融會貫通[1]。本文以“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程中計(jì)數(shù)器電路內(nèi)容為例，在混合式教學(xué)模式基礎(chǔ)上開展了貫通式教學(xué)的設(shè)計(jì)與探索。通過思維導(dǎo)圖、虛擬仿真、實(shí)物演示等信息化手段，形成了數(shù)碼顯示、循環(huán)計(jì)數(shù)、時鐘發(fā)生等知識點(diǎn)的“錨點(diǎn)式-環(huán)扣式”教學(xué)設(shè)計(jì)，促進(jìn)了各知識點(diǎn)之間的緊耦合，有助于學(xué)員知識體系的構(gòu)建，高階能力與電路素養(yǎng)的提升。

文章結(jié)構(gòu)安排如下：第二節(jié)引入基于思維導(dǎo)圖的教學(xué)規(guī)劃；第三節(jié)開展知識貫通式的教學(xué)設(shè)計(jì)；第四節(jié)介紹信息手段支撐下的教學(xué)實(shí)施要點(diǎn)；最后對全文內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。

1 基于思維導(dǎo)圖的教學(xué)規(guī)劃

思維導(dǎo)圖被喻為“大腦瑞士軍刀”，能夠運(yùn)用于記憶、創(chuàng)造、學(xué)習(xí)和各種思維形式，有利于知識體系的構(gòu)建[2]。為開展計(jì)數(shù)器電路的貫通式教學(xué)，本文形成了功能牽引式的知識圖譜，如圖1所示[3]。圖中，(↑)表示線上自學(xué)內(nèi)容，(↓)表示線下教學(xué)內(nèi)容。從整個課程知識體系來看，數(shù)碼顯示模塊屬于組合邏輯電路，循環(huán)計(jì)數(shù)模塊與時鐘發(fā)生模塊屬于時序邏輯電路。因此，本教學(xué)內(nèi)容是數(shù)字電子技術(shù)兩大典型電路的綜合，通過應(yīng)用案例的展開能夠促進(jìn)相關(guān)知識點(diǎn)的融會貫通。根據(jù)各知識點(diǎn)的依存關(guān)系與課程的總體規(guī)劃，在授課過程中采用數(shù)碼顯示、循環(huán)計(jì)數(shù)、時鐘發(fā)生的順序，分三個課時講解。

2 知識貫通式的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)目標(biāo)

本課程將教學(xué)目標(biāo)劃分為知識、能力、素養(yǎng)三個層面[4]。

(1)知識層面：通過計(jì)數(shù)器電路，了解譯碼器、計(jì)數(shù)器、555定時器基本概念，理解中規(guī)模邏輯器件(CD4511、74LS161、74LS00、NE555)的基本功能，掌握利用相關(guān)邏輯器件實(shí)現(xiàn)數(shù)顯、計(jì)數(shù)、時鐘發(fā)生的基本方法。

(2)能力層面：培養(yǎng)邏輯器件功能表識讀與應(yīng)用能力，數(shù)字電路分析與設(shè)計(jì)的基本能力；

(3)素養(yǎng)層面：提升學(xué)員的電路素養(yǎng)，建立電路設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)觀與辨證思維，養(yǎng)成發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的意識。

2.2 學(xué)情分析

在開始相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)之前，學(xué)員已經(jīng)掌握了邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、熟悉了組合邏輯電路中基本的門電路、時序邏輯電路中基本的觸發(fā)器。能夠在基本器件與原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)階學(xué)習(xí)中規(guī)模邏輯器件的功能與使用、以及如何分析與設(shè)計(jì)具有特定功能的數(shù)字電路。

2.3 任務(wù)分析

1)教學(xué)內(nèi)容

主要涵蓋數(shù)顯譯碼器與數(shù)碼管、74LS161與計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)、555定時器的功能與應(yīng)用。

2)重難點(diǎn)

數(shù)顯譯碼電路的邏輯抽象、計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)方法、多諧振蕩器工作原理。

2.4 設(shè)計(jì)方案

在計(jì)數(shù)器電路授課過程中，貫徹“理實(shí)一體”的教學(xué)理念，開展“知識-理論-實(shí)踐”橫向貫通的教學(xué)設(shè)計(jì)，如圖2所示。首先，以功能為牽引對電路進(jìn)行模塊化分解，進(jìn)而結(jié)合課程中相應(yīng)的知識點(diǎn)，使學(xué)員了解各個模塊的功能與實(shí)現(xiàn)；最后通過“錨點(diǎn)式-環(huán)扣式”的知識圖譜、Multisim仿真、實(shí)物演示等信息化手段，實(shí)現(xiàn)多知識點(diǎn)的縱向貫通。

1)“錨點(diǎn)式-環(huán)扣式”的知識圖譜

如圖 3所示，首先根據(jù)模塊劃分，各模塊之間形成功能環(huán)扣；進(jìn)而將每一個模塊作為錨點(diǎn)，根據(jù)知識間的依存關(guān)系，形成“錨點(diǎn)式-環(huán)扣式”的知識圖譜。

圖1 計(jì)數(shù)器電路知識圖譜

圖2 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

圖3 錨點(diǎn)-環(huán)扣式知識圖譜

2)Multisim仿真

如圖 4所示，利用Multisim的電路仿真功能，搭建數(shù)碼顯示模塊(CD4511+共陰極數(shù)碼管)、循環(huán)計(jì)數(shù)模塊(74LS161加法計(jì)數(shù)器)、矩形波發(fā)生模塊(基于555定時器的多諧振蕩電路)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的功能，進(jìn)而驗(yàn)證相關(guān)原理、功能與電路。

3)實(shí)物演示

如圖5所示，根據(jù)仿真電路，繪制PCB板，制作實(shí)物演示電路，使學(xué)員對所學(xué)知識有一個更為直觀、形象的認(rèn)識和理解。

3 信息手段支撐的教學(xué)實(shí)施

3.1 課前準(zhǔn)備

積極引入“互聯(lián)網(wǎng)+”的教學(xué)平臺，利用雨課堂完成師生間的線上互動。課前，通過雨課堂發(fā)布任務(wù)，以知識點(diǎn)、關(guān)鍵詞等形式，引導(dǎo)學(xué)員利用教材、講義、慕課、微課等資源完成知識的回顧與預(yù)習(xí)，并通過封閉式客觀問題與開放式主觀問題相結(jié)合的形式完成課前測，通過客觀問題快速激勵起學(xué)員對重要知識點(diǎn)的回顧，通過主觀問題形成發(fā)散思維，建立清晰的思維邏輯與多維互聯(lián)的知識體系。教員利用前測結(jié)果的反饋機(jī)制，合理調(diào)整課程內(nèi)容與節(jié)奏，進(jìn)而優(yōu)化教學(xué)效果。

3.2 課堂教學(xué)

1)貫通式案例引入

以現(xiàn)代化的生產(chǎn)流水線作為引入，提出問題：“隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，流水線式的生產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入到了各個產(chǎn)業(yè)。那么，如何統(tǒng)計(jì)流水線生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量呢？”。

2)問題抽象

剖析實(shí)際的問題，進(jìn)行電學(xué)抽象和邏輯抽象，通過功能和原理的簡化實(shí)現(xiàn)與教學(xué)內(nèi)容的對接。信號模擬：可以通過傳感器，對產(chǎn)品進(jìn)行“0-1”抽象，形成類似的矩形波信號，因此需要解決矩形波-時鐘信號的產(chǎn)生問題，以模仿流水線上產(chǎn)品的通過。數(shù)量統(tǒng)計(jì)：通過邏輯抽象、功能簡化，將數(shù)量統(tǒng)計(jì)演化為0-9的十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)問題。數(shù)碼顯示：在數(shù)字電路中，統(tǒng)計(jì)結(jié)果以二進(jìn)制表示，而要使人直觀地讀取產(chǎn)品數(shù)量，則需要通過數(shù)顯譯碼器將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)并顯示。

圖4 基于Multisim的計(jì)數(shù)器電路仿真

圖5 計(jì)數(shù)器實(shí)物演示

3)內(nèi)容展開

依照線上線下混合式教學(xué)的方法，分別圍繞數(shù)碼顯示、基于74LS161的加法計(jì)數(shù)器、555多諧振蕩器為錨點(diǎn)展開介紹。然后通過Multisim中的虛擬示波器，對電路中典型的電壓、高低電平、邏輯狀態(tài)進(jìn)行顯示，對課程內(nèi)容中的原理、過程、結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，以達(dá)到深化理論認(rèn)知的目的。最后，通過口袋實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物演示，調(diào)整電路板上的電位器、跳帽等，引導(dǎo)學(xué)員觀察結(jié)果的變化，并開展理論分析，以貫徹理實(shí)一體的教學(xué)理念。

4)“錨點(diǎn)式-環(huán)扣式”小結(jié)與體系構(gòu)建

為了突出貫通式教學(xué)的特點(diǎn)，在課程講授結(jié)束時，通過“錨點(diǎn)式-環(huán)扣式”方法進(jìn)行小結(jié)，幫助學(xué)員完善相關(guān)知識體系。

3.3 課后提升

為形成開放式的教學(xué)環(huán)境，課后為學(xué)員安排拓展閱讀與思考，以計(jì)數(shù)器電路為例，引導(dǎo)學(xué)員發(fā)現(xiàn)問題，解決問題；例如信號發(fā)生模塊，除了555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器還可以通過什么實(shí)現(xiàn)？預(yù)設(shè)答案為基于滯回比較器的矩形波發(fā)生器、基于分立元件的多諧振蕩器。對于實(shí)物演示電路，如果改變跳帽的位置，電路的功能會發(fā)生什么變化？預(yù)設(shè)答案為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器變?yōu)榫胚M(jìn)制計(jì)數(shù)器。進(jìn)一步地，為了滿足不同學(xué)生的需求，實(shí)現(xiàn)個性化的學(xué)習(xí)，課程還會提供進(jìn)階拓展鍛煉，例如通過相同原理實(shí)現(xiàn)的更為復(fù)雜的數(shù)字時鐘電路，如圖6所示。

圖6 數(shù)字時鐘電路

4 結(jié)語

本文針對混合式教學(xué)中存在“時間-空間-知識”離散化，不利于知識體系構(gòu)建的問題，引入了貫通式教學(xué)理念，以計(jì)數(shù)器電路為例開展了教學(xué)設(shè)計(jì)與探索。該方法注重利用信息化技術(shù)，強(qiáng)化知識連接，突出理實(shí)結(jié)合，能夠較好地培養(yǎng)學(xué)員知識應(yīng)用能力、發(fā)散思維能力，提升學(xué)員的問題意識和電學(xué)素養(yǎng)。但在最后的仿真和實(shí)物演示部分，學(xué)員仍是以觀察者的身份出現(xiàn)，參與度較低，后期會改進(jìn)相應(yīng)環(huán)節(jié)，通過學(xué)員在課后“復(fù)現(xiàn)-改進(jìn)-創(chuàng)新-增效”的分層實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步提升其電路分析與設(shè)計(jì)能力、動手實(shí)踐能力。