數字電路的翻轉課堂教學

袁友偉　仇建　張雪峰　陳逗　李鵬偉

摘要：針對目前數字電路課程教學中存在的問題，結合翻轉課堂教學模式的特點，分析數字電路教學方式的設計和改革，提出新的數字電路教學模式和考核評價體系，為基于翻轉課堂的教學改革提供了新的嘗試。

關鍵詞：翻轉課堂；數字電路；教學改革

0.引言

近年來，隨著計算機、互聯網和多媒體技術的發展，高等教育的教育理念、教學目標、教學模式等都發生了巨大的變化。數字電路是電子、通信等專業的重要基礎課，同時也是當今電子科技領域最富有變化、最具活力、最貼近實踐、最具創新性的一門課程。翻轉課堂教學模式利用豐富的教學資源，通過顛覆式的教學方式，促進師生互動，提高學生的學習興趣和學習效率。國內外眾多學者對翻轉課堂教學模式進行了研究：清華大學的鐘曉流等人在信息化環境中進行了基于翻轉課堂理念的教學設計研究Ⅲ；吉首大學的曾明星等人進行了基于MOOC的翻轉課堂教學模式改革探索翻；重慶師范大學的葉青和李明則進行了高校傳統教學與翻轉課堂對比的實證分析翻。

1.數字電路教學的現狀

數字電路是電子、通信、計算機等專業的重要基礎課，是學習后續知識的基礎。當前數字電路教學模式存在許多問題：數字電路的教學仍以教師講授為主，簡單實驗為輔，學生缺乏實際應用鍛煉；大多數的教學內容依然沿用幾十年前的技術，無法與現代電子技術接軌，限制了學生的實踐能力；在教學中以教師為中心，學生被動接受知識，降低了學生的學習興趣。

2.數字電路課程的教學改革

2.1教學模式上的改革

基于翻轉課堂的數字電路教學模式，與傳統教學模式最大的不同在于其顛覆性：把傳統的課前預習、課上學習和課后完成作業的教學模式變為課前學生主動獲取知識、課堂上互動式教學、課后拓展和鞏固，如圖1所示。

1）課前知識的獲取。

針對數字電路課程的特點，教師將每個章節的知識提煉成若干知識點，并布置預習任務，放到網上供學生學習；學生利用課前時間在線觀看教學視頻，熟悉知識點，完成預習任務。在翻轉課堂模式下，完成課前預習任務很重要，該模式具有以下特征：①數字電路知識點繁多，大多數內容不存在學習難點，適合學生線上自學完成；②網上資源眾多，學生利用電腦或移動終端可以解決自己在學習過程中遇到的眾多基礎問題；③在線交流便捷，學生在預習過程中遇到不懂的問題，可以在線與同學進行討論，教師也能方便地參與討論；④教學模式靈活，教師可以根據學生線上討論情況，及時調整和設計新的教學內容，使得修改后的教學內容更加貼近學生需求。

2）課堂互動式教學。

翻轉課堂的主體是學生，課堂內以學生探討交流為主，教師起引領與指導作用。教師首先根據學生課前預習的反饋信息，改正教學視頻的不足之處，確定重要知識點；其次對線上學生討論的內容和反饋的情況進行收集，并依據收集信息來設計課堂教學的內容。由于在課前預習和自學的環節中，學生已經完成了大多數知識點的學習，在課堂上教師僅需要對知識點做適當的補充和串聯，對學生普遍遇到的問題做統一講解，學生也可以針對自己在課前學習中遇到的問題進行提問，與教師互動，加強對重點問題的學習和理解。與傳統的課堂教學相比，這樣的課堂更加高效，同時能夠預留更多時間進行師生互動、交流和討論案例。在完成基礎知識點的學習后，學生將組成團隊進行學習、討論和合作，教師根據每堂課的知識點，提出數字電路的實用案例，來鞏固知識點和提高學生解決實際問題的能力。各個團隊分析、討論，得出解決方案，現場展示團隊成果，各個團隊之間進行互評。方案展示的過程鍛煉了學生的組織能力、語言表達能力和團隊合作的能力。

3）課后鞏固和拓展。

數字電路是一門工程性課程，這使得數字電路的教學不僅需要讓學生全面掌握課程知識，還要培養學生的實踐能力和創新思維。扎實的理論知識是實踐和創新的基礎，學生在完成基礎知識點的學習任務后，需要在課后完成相關作業，以便及時鞏固所學知識。教師在線發布測試作業，并對學生完成的測試作業進行成績評定與信息統計，此外教師還要補充本次課所學知識在實際工程中的應用實例，以提高學生對所學知識的實際應用能力，這樣也能夠加深學生對所學知識的理解。由于數字電路的前沿技術發展很快，教師應在課后補充最新的學習資源和科技動態，供學生開闊視野，了解前沿科技。

2.2線上線下資源相結合

在基于翻轉課堂的數字電路教學改革中，充分利用線上線下資源是關鍵。線上線下資源相結合，可以充分發揮兩者的優勢，彌補各自的不足。互聯網技術的成熟和移動終端的普及，讓線上資源可以得到充分的利用，也為在線討論、作業和測試提供了有利的條件。在新的教學模式中，教師可以最大程度發揮線下教育的優勢，彌補線上教育的不足，達到最佳的教學效果。線上線下資源相結合的示意圖如圖2所示。

（1）線上資源的利用：①教師為學生篩選優質的線上教學視頻資源，或自制教學視頻供學生課前預習和復習時使用，學生也可以利用網絡資源自主學習；②發揮線上討論區的作用，學生對實際數字電路實例相互討論、交流和分享經驗；③課后鞏固與拓展，在線提交作業，利用MOOc等網絡資源，了解數字電路的發展與前沿動態；④線上數據借助后臺系統可以方便地統計和分析，有助于教師及時了解學生的學習情況。

（2）線下教學：①教師根據在線教學視頻，或自制教學視頻的不足之處做適當的補充，對知識點做整體的串聯，幫助學生全面系統地掌握所學知識；②分團隊交流與合作，與教師互動，解決線上無法解決或無法理解的問題；③實例學習、展示和實際數字電路設計，彌補了在線教學實踐環節的不足，提高了學生對知識的實際應用能力。

3.基于翻轉課堂的數字電路教學案例分析

數字電路是一門工程性質學科，注重實踐，并且知識點繁多，傳統的以教師講授教學為主、實驗教學為輔的模式使得學生興趣低，實際操控能力弱，教學效果不理想。我們以數字電路中的觸發器章節為例，詳細介紹基于翻轉課堂的數字電路教學改革案例，展示如何運用翻轉課堂設計課前知識體系、課堂互動教學、課后知識鞏固。

3.1課前預習與自習

在課前預習與自習環節中，教師需要對課堂知識進行知識點整理，提取出一系列知識點，以便學生能夠自行學習。以數字電路中的觸發器章節為例，對該章節知識進行提取分析，將提取出的知識點組建成一顆知識樹，如圖3所示。

在圖3中，將觸發器章節中知識按照觸發器的觸發方式進行劃分，分成3個知識點，這些是學習觸發器的基礎知識點，分別是RS觸發器、主從觸發器、邊沿觸發器。①RS觸發器。RS觸發器是構成其他各種功能觸發器的基本組成部分，具有兩個不同穩定狀態的二進制存儲單元，按照工作機制的不同，又可分為基本RS觸發器和同步RS觸發器。基本RS觸發器可以由與非門或者是或非門構成，具有兩種穩定狀態：1態或O態，在外力的作用下可以置成1態或0態。同步RS觸發器在基本RS的基礎上引入同步信號，使觸發器僅在同步信號到達時按輸人信號改變狀態。②主從觸發器。為提高觸發器的可靠性，希望在每一個CP脈沖期間，觸發器的狀態只翻轉一次，為此在同步RS基礎上設計了主從結構觸發器。主從觸發器包括主從RS觸發器和主從JK觸發器，主從RS觸發器由兩個同步RS觸發器，劃分為主觸發器和從觸發器，從觸發器的狀態是整個觸發器的狀態。主從Ⅸ觸發器在原觸發器電路結構的基礎上進行修改，改正原觸發器在特定條件下狀態的不確定性。③邊緣觸發器。邊緣觸發器提高了觸發器的可靠性，增強抗干擾能力，使得觸發器的次態僅取決于CP上升或下降沿到達時刻輸入信號的狀態。邊緣觸發器包括維持阻塞結構邊緣觸發器和利用傳輸延遲時間的邊緣觸發器。

上述知識點是觸發器章節中的主要知識點，將上述知識點組成一顆知識樹，對于每一個知識點，教師錄制10-15分鐘視頻，講解知識點要領，幫助學生理解，對于重難點問題，制作PPT文檔以幫助學生進一步理解，同時為每一個知識點設置習題，學生在理解的基礎上在線演練，加深對知識點的理解；對于難點問題，可以在線進行問題反饋，在線系統對學生的習題進行評分，以便教師了解學生的學習情況。

3.2課堂互動式教學

在課堂互動教學中，針對課堂知識點安排相關教學活動，將課堂互動教學分為重難點知識詳解、提問互動、分組討論互動3個部分。經過上述3個環節，學生將加深對知識點的理解，并且在互動環節中將理論運用于實踐中，用于解決實際問題，提高學生的動手能力，同時引導學生對知識點進行擴展學習。

（1）重難點知識詳解。在課前預習與自習環節中，學生對于難以理解的問題進行在線反饋，教師對學生反饋的問題進行統計，并設置問題集，將新問題加入到問題集中，以便學生后期復習時查漏補缺，加深對問題的理解；教師按照問題的普遍程度進行劃分，對于普遍問題重點分析，幫助學生理解，在該環節中以教師教授為主。

（2）提問互動。在對重難點知識講解后，需要學生在理解的基礎上反饋學習情況，以師生提問互動的形式進行學習情況評定，在此期間，教師依據重難點知識進行提問，學生回答。

（3）分組討論互動。在上述兩個環節的基礎上，以案例驅動的方式快速提高學生的動手實踐能力。教師依據課堂知識，設計案例，學生自行分組討論，并將最后討論結果，以小組形式進行成果展示，最后由教師分析各個討論組的優缺點。

3.3課后知識點鞏固

在上述兩個環節中，教師依據課堂知識設計知識學習體系，根據學生學習情況設置課堂教學活動，通過上述兩個環節的教學活動，學生基本掌握了課堂知識，具備了理論結合實際的解題思想。在課后，學生需要對掌握的知識點進行鞏固學習，同時引導學生進行知識擴展，將課堂知識運用于實際問題中，動手解決實際問題，加深學生對知識點的理解。

4.考核與評價體系

為了合理地評價新教學模式的教學質量與學生的學習效果，我們設計了全面的考核和評價體系。根據課程教學的3個環節和期末測試環節，設計4個方面的過程考核與評價方法。

（1）課前自主學習環節：學生在課前通過觀看教學視頻學習知識點，在線閱讀預習文檔完成預習任務。系統將自動統計每個學生的視頻觀看時長和次數，教師根據學生視頻觀看的時長和討論區討論問題的情況來進行評價。

（2）課堂互動教學環節：教師在講解完重難點知識后，提出啟發性的問題和數字電路的應用實例供團隊討論。教師根據每個團隊討論、回答問題的情況和方案展示的可行性和創新性來點評和打分，團隊之間的互評也將作為重要參考依據。

（3）課后鞏固拓展環節：這個環節的考核主要依據課后學生在線作業完成的情況。最后由教師根據實際情況調整課前、課中和課后環節評價得分的比重，加權計算得到學生的平時成績。

最后一項評分采用線下考試的方式，考試成績和平時成績加權構成最后的考核成績。為突出學生自主學習和能力培養的重要性，應適當增加平時成績所占的比重。考核與評價的各項參考比重見表1。

5.結語

基于翻轉課堂的數字電路教學改革，是互聯網時代對教學方式的一次革新，翻轉課堂教學模式為數字電路的教學提供了一種新的思路。數字電路課程結合翻轉課堂教學模式注重學生自主學習能力的提升，以啟發式案例教學方式來提升學生的團隊合作精神以及自主學習興趣；通過數字電路的實例訓練和師生互動交流的教學方式，讓學生鞏固所學知識和提高工程實踐能力；線上線下資源相結合，可以有效地提高學生的學習興趣與學習效率，取得良好的教學效果。