基于Kt-map 模式的多維度數(shù)字電子技術課程教學改革探討

李院平 王子群 梁蘭菊

摘要：文章提出一種基于Knoledge tree思維導圖（Kt-map） 模式的多維度數(shù)字電子技術課程教學改革方法，旨在增強學生對課程的認知程度，提高學生的主觀能動性及實踐動手能力。論文首先引入Kt-map，介紹Kt-map的基本構成；然后應用Kt-map，幫助學生先從宏觀角度建立課程的知識體系及知識點間的關系，進而實現(xiàn)以學生為主體，教師為主導的教學模式；利用課程“實踐性”強的特點，以項目案例驅動，借助仿真軟件實現(xiàn)授課內容可視化；為了有效督促學生對課程知識體系的主動建構，更新細化了課程評價機制。

關鍵詞：“Kt-map”；內容可視化；課程評價

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044（2023）29-0145-04

0 引言

數(shù)字電子技術課程作為電信、光電、通信、計算機等專業(yè)的一門專業(yè)基礎課程，具有實踐性強，內容繁多細致，易學難用的特點。在傳統(tǒng)教學模式上，該課程在授課中主要存在以下弊端：1） 教學活動的時空限制；2） 學生知識架構的被動型建立；3） 實驗手段單一；4） 考核的片面性[1-3]。隨著大學教改的不斷深入，為響應筆者所在單位以建設“國內一流應用型”大學的目標號召，我們增加了實踐性內容的課時，同時適當壓縮了理論課的課時。為了在有限的學時中，幫助學生掌握大量的內容，同時解決傳統(tǒng)教學的弊端，在本文中探討基于Knoledge tree 思維導圖（Kt-map） 模式的“以學生為主體，教師為主導”“項目案例驅動，授課內容可視化”“加強過程考核”多維度數(shù)字電子技術課程教學模式，旨在增強學生對課程的認知程度，提高學生的主觀能動性及實踐動手能力。

1“ 知識樹”思維導圖（Kt-map） 的建立

思維導圖源自英國智力開發(fā)專家Tony Buzan在1974年出版的Use Your Head《（ 啟動大腦》） 一書。其特點是發(fā)散性、高效性及開放性，利用思維導圖可以改善人類的記憶與發(fā)散思維[4，5]。但是已有的思維導圖采用二維型結構表達的通常是知識之間的層級性或并列式關系，而對于學校的各門專業(yè)課程而言，各知識之間往往存有互相滲透的作用，因此，在這里推出一種類“知識樹”型、具有三維邏輯關系的新型思維導圖——Kt-map。把數(shù)字電子技術課程當作一棵大樹，那么電子器件的發(fā)展是其滋生的土壤，布爾代數(shù)及數(shù)值與碼制是其成長的陽光雨露，邏輯門是它堅實有力的軀干，組合邏輯代數(shù)和時序邏輯代數(shù)等則是它的枝丫，各種集成電路等芯片則是枝丫上的葉子，其組成脈絡圖如下：

在“知識樹”思維導圖中，關鍵要素有：土壤，樹的軀干，樹成長的陽光雨露，樹的枝丫及在枝丫上衍生的葉子。

通過此圖，可以清晰地看懂該門課的邏輯結構及知識點之間的滲透關系，對于學生建立課程知識體系有比較大的幫助。

2 基于Kt-map 模式的多維度數(shù)字電子技術課程教學模式

2.1 應用Kt-map，實現(xiàn)以學生為主體，教師為主導的教學模式[6-8]

教學的主體在“學生”。如果課程從一開始能有效激起學生的主觀能動性，那課程就先成功了一半。所以，教師對課程的“導”、對學生的“導”是使平靜湖面激起漣漪的關鍵。

1） 課前準備，“導”為主：根據(jù)課程教學目標、教學內容、學生實際情況， 編制設計出每堂課的程序結構、實施方案，即常稱的教案。教師要在上課前對整門課有個大概的構思，做到胸有成竹。教師教學方法的運用、教學思路的設計、 知識技能的掌握以及對教材的理解能力、駕馭能力都能在教案中得到體現(xiàn)。

以脈沖波形的產生與整形為例，授課流程圖如圖2：

在課前導入部分，可以先給學生展示本次課（本章）內容的Kt-map，如圖3所示：

從圖3可知，555定時器是大樹的軀干，而滋生大樹的土壤則是電阻、模擬電路（電壓比較器，場效應管，三極管）、數(shù)字電路（RS觸發(fā)器）等基本元件（統(tǒng)稱電子器件），大樹的枝丫則是施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器，各種應用則可看為枝丫上的葉片，對各器件進行分析所需要的知識則為此樹成長的陽光雨露。 在Kt-map圖的基礎上，再來按所設計好的流程圖授課，就可以達到事半功倍的效果。

2） 教學過程，“導”為線，“學”為面：在教學過程中要注意引導學生掌握正確的學習方法。教師的教法服務于學生的學法，教師的“教”要符合學生“學”的規(guī)律，主導作用要為促進學生的主體作用服務。例如在做“序列信號發(fā)生器設計”時，我們可以用多種方法來實現(xiàn)。為了促進學生的主觀能動性，我們的實驗安排流程如下：

在整個實驗流程中，分析設計方案的可行性體現(xiàn)了教師的“導”，實驗過程的設計則體現(xiàn)了學生的“主”。而實際上，教師的“導”從安排實驗之初直到實驗的結束，貫穿于整個環(huán)節(jié)。這樣流程的設計，使實驗時間的 90%交付給學生主體，使學生主體作用得以充分體現(xiàn)。當然，在安排實驗之初，教師需要對實驗設計的設計方案盡可能充分了解，并準備好所有可能用到的元器件。

在實際實驗設計中，學生結合課上所學知識，完成的設計方案主要有：1） 利用74LS194移位寄存器實現(xiàn)。2） 利用D觸發(fā)器實現(xiàn)。3） 利用計數(shù)器和邏輯門實現(xiàn)。4） 利用計數(shù)器和數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)。

其中，在用D觸發(fā)器實現(xiàn)序列信號時，首先選擇適當數(shù)目的D觸發(fā)器，首尾連接，采用移位的功能，設計所需填充位的實現(xiàn)電路，然后從某一輸出端提取序列信號，所以，從本質上來講和采用74LS194的效果類似，但缺點是所需模塊較多，優(yōu)點則是靈活。利用計數(shù)器實現(xiàn)，無疑是更為簡單、便捷，也更利于理解。所以在實驗過程中，采用計數(shù)器者為多數(shù)。

基于Kt-map，實現(xiàn)以學生為主體，教師為主導的教學模式，先從視覺上幫助學生輸入課程的知識組成體系，然后在教師的主導下，實現(xiàn)了學生學習的主觀性，并拓展了學習的空間。

2.2 項目案例驅動，借助仿真軟件實現(xiàn)授課內容可視化[9-10]

數(shù)字電子技術課程的一個鮮明特點就是“實踐性強”。因此，調動學生積極性和主觀能動性的最佳方法就是“項目案例驅動”。在組合邏輯電路講解時，引入“病房呼叫系統(tǒng)”案例，結合學生對醫(yī)院呼叫系統(tǒng)的認知，建立其大致模型：

然后，讓學生分析，如何編碼？可選擇什么器件？如何解碼？用什么器件？ 如何顯示？如果病房人多，輸入信號增多，又該如何？學生帶著問題，從課內/ 課外找答案，當有了想法后，可以去實驗室實踐，也可以在家通過 Multisim 軟件仿真模擬。學生的問題可以通過微信群/QQ（主要），超星線上平臺等及時發(fā)送給老師進行解答，同時生生之間也可進行互評。

圖6為學生搭建的病房呼叫系統(tǒng)仿真電路。電路中使用8-4線優(yōu)先級編碼器、非門、74LS283加法器、74LS48N七段顯示譯碼器和7段顯示數(shù)碼管實現(xiàn)了病人按鍵號碼的顯示功能；同時采用555定時器構成多諧振蕩電路，實現(xiàn)了周期為1.05ms的方波輸出，并通過三極管驅動揚聲器發(fā)聲提示。整個電路實現(xiàn)了組合邏輯電路各集成器件的有效融合，對于學生的實踐動手能力的提升起到了非常好的幫助。

對于病房人數(shù)較多時的問題，學生自然聯(lián)想到使用多片74LS148進行擴展。在課堂中，首先分析了擴展的基本方法，并以2片74LS148為例，建立了擴展電路，那么3片擴展的效果如何？借助Multisim，演示仿真結果如圖7所示。

從圖7中可見，當I23、I15和I7同時輸入有效時， 輸出編碼為10111，即十進制數(shù)23（圖7（a）），當I15和I7 同時輸入有效時，編碼輸出為01111，即十進制數(shù)15 （圖7（b））， 當只有I7輸入有效時，編碼輸出為00111，即十進制數(shù)7（圖7（c）），這表明，左邊74LS148芯片優(yōu)先級最高，而右邊的優(yōu)先級最低。通過引入Multisim仿真演示，使授課內容得以直觀顯示，一方面驗證了學生的設想和理論分析，另一方面又加強了對此內容的深入理解。

因此，采用項目案例驅動，借助仿真軟件實現(xiàn)授課內容可視化，一方面進一步增強了學生的主觀能動性，并且引入了新的實驗思路和方案，使實驗手段多樣化，打破了傳統(tǒng)授課環(huán)境的局限。

2.3 評價模式的改變

加強過程性考核，充分調動每位同學的主觀能動性，督促學生建立課程知識 架構體系。知識體系的建構歷經(jīng)3 個過程：第1個是同化，即新知識與舊知識產生鏈接的過程；第2個是順應，即新舊知識的融合形成了新的知識體系；第3個為平衡，知識體系由原來的平衡，到新知識出現(xiàn)產生不平衡，最后經(jīng)同化順應形成新的平衡[11]。要順利讓學生完成課程知識體系的建構，必要的督促和激勵是不可少的。為此，改變以往的課程評價體系，加強過程性考核：1） 課堂的主動性表現(xiàn)。在每一次授課過程中，安排互動性問題，促使學生積極應答。每次主動回答且正確者+2分，主動回答但不正確者酌情+1分或不加分；被動回答且正確者+1分，被動回答但錯誤者不加分。2） 增設課外完成的項目實踐性內容。比如前面所說的病房呼叫系統(tǒng)模型的搭建，有效完成者可以直接給10分過程考核分。3） 增加實驗過程考核，體現(xiàn)為：動手能力的查驗—第一名完成實驗的小組給予本次實驗最高分10分，剩余名次的小組則酌情遞減；每一個小組中的同學則按貢獻度自行協(xié)商分配該小組獲得的分數(shù)。同時，在對實驗結果驗收時，增加隨機考核（小答辯）環(huán)節(jié)，完成實驗并正確作答的小組方可順利獲得相應的分值，否則，按正確作答結果順序相應后移。因此，從實驗項目開始，一直到項目的結束，學生在腦子里時刻思考項目實行的理論依據(jù)，無形中完成了知識的同化-順應-平衡三個階段，完成了知識體系的構建。

該課程平時成績分值構成：回答問題得分（20%） + 課外項目（20%） +實驗考核（30%） +出勤（10%） +作業(yè)（20%） 。

回答問題得分、課外項目得分計算：班級回答問題得分或課外項目得分最高者為滿分20分，其他同學按其得分/最高得分×20分計算。

實驗考核得分計算：假設有m 個實驗，每一個同學每一項實驗得分為r分，則其實驗得分為mr，設實驗得分最高者分值為n，則該生實驗考核得分為0.3×mr/n。

出勤分值計算：設全勤次數(shù)為x，置全勤為100分，若某生請假一次減1，無故缺勤一次減2，若該生共請假a次，無故缺勤b次，則該生出勤得分為：0.1×（x-a× 1-b×2）/x。

作業(yè)分值計算：不缺項完成作業(yè)，并紅筆標注批改者一次作業(yè)為滿分100；缺項或未修改者，按每次作業(yè)比例分值扣分即可。作業(yè)得分計算式為：0.2×該生作業(yè)得分/作業(yè)最高分。

圖8為近3年同一專業(yè)學生在同等難度下，學生的課程考核情況統(tǒng)計。從表中可見，采用新的課程評價模式之后，學生的及格率有很大幅度的提升，說明學生的學習主觀能動性因評價模式的變化有很大的增強，但優(yōu)秀率提升幅度不明顯。

3 總結

“Kt-map”有效實現(xiàn)了課程的系統(tǒng)化，使學生初步建立課程的知識構成體系；隨后，通過引入多維度教學模式，提升學生的主觀能動性，化被動為主動建立課程知識架構體系；案例驅動，引入仿真手段，使教學內容可視化，同時解決了實驗手段單一的問題，并擴寬了學生的教學和學習活動空間；更新細化課程評價模式，使學生的每一步成長都有跡可循，增強了學生自信心，且使考核更加全面。

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28-31. 【通聯(lián)編輯：唐一東】