數(shù)字電路的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)

袁友偉　仇建　張雪峰　陳逗　李鵬偉

摘要：針對(duì)目前數(shù)字電路課程教學(xué)中存在的問題，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的特點(diǎn)，分析數(shù)字電路教學(xué)方式的設(shè)計(jì)和改革，提出新的數(shù)字電路教學(xué)模式和考核評(píng)價(jià)體系，為基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)改革提供了新的嘗試。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂；數(shù)字電路；教學(xué)改革

0.引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，高等教育的教育理念、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)模式等都發(fā)生了巨大的變化。數(shù)字電路是電子、通信等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，同時(shí)也是當(dāng)今電子科技領(lǐng)域最富有變化、最具活力、最貼近實(shí)踐、最具創(chuàng)新性的一門課程。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式利用豐富的教學(xué)資源，通過顛覆式的教學(xué)方式，促進(jìn)師生互動(dòng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行了研究：清華大學(xué)的鐘曉流等人在信息化環(huán)境中進(jìn)行了基于翻轉(zhuǎn)課堂理念的教學(xué)設(shè)計(jì)研究Ⅲ；吉首大學(xué)的曾明星等人進(jìn)行了基于MOOC的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式改革探索翻；重慶師范大學(xué)的葉青和李明則進(jìn)行了高校傳統(tǒng)教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂對(duì)比的實(shí)證分析翻。

1.數(shù)字電路教學(xué)的現(xiàn)狀

數(shù)字電路是電子、通信、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)后續(xù)知識(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)前數(shù)字電路教學(xué)模式存在許多問題：數(shù)字電路的教學(xué)仍以教師講授為主，簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)為輔，學(xué)生缺乏實(shí)際應(yīng)用鍛煉；大多數(shù)的教學(xué)內(nèi)容依然沿用幾十年前的技術(shù)，無法與現(xiàn)代電子技術(shù)接軌，限制了學(xué)生的實(shí)踐能力；在教學(xué)中以教師為中心，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.數(shù)字電路課程的教學(xué)改革

2.1教學(xué)模式上的改革

基于翻轉(zhuǎn)課堂的數(shù)字電路教學(xué)模式，與傳統(tǒng)教學(xué)模式最大的不同在于其顛覆性：把傳統(tǒng)的課前預(yù)習(xí)、課上學(xué)習(xí)和課后完成作業(yè)的教學(xué)模式變?yōu)檎n前學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)、課堂上互動(dòng)式教學(xué)、課后拓展和鞏固，如圖1所示。

1）課前知識(shí)的獲取。

針對(duì)數(shù)字電路課程的特點(diǎn)，教師將每個(gè)章節(jié)的知識(shí)提煉成若干知識(shí)點(diǎn)，并布置預(yù)習(xí)任務(wù)，放到網(wǎng)上供學(xué)生學(xué)習(xí)；學(xué)生利用課前時(shí)間在線觀看教學(xué)視頻，熟悉知識(shí)點(diǎn)，完成預(yù)習(xí)任務(wù)。在翻轉(zhuǎn)課堂模式下，完成課前預(yù)習(xí)任務(wù)很重要，該模式具有以下特征：①數(shù)字電路知識(shí)點(diǎn)繁多，大多數(shù)內(nèi)容不存在學(xué)習(xí)難點(diǎn)，適合學(xué)生線上自學(xué)完成；②網(wǎng)上資源眾多，學(xué)生利用電腦或移動(dòng)終端可以解決自己在學(xué)習(xí)過程中遇到的眾多基礎(chǔ)問題；③在線交流便捷，學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中遇到不懂的問題，可以在線與同學(xué)進(jìn)行討論，教師也能方便地參與討論；④教學(xué)模式靈活，教師可以根據(jù)學(xué)生線上討論情況，及時(shí)調(diào)整和設(shè)計(jì)新的教學(xué)內(nèi)容，使得修改后的教學(xué)內(nèi)容更加貼近學(xué)生需求。

2）課堂互動(dòng)式教學(xué)。

翻轉(zhuǎn)課堂的主體是學(xué)生，課堂內(nèi)以學(xué)生探討交流為主，教師起引領(lǐng)與指導(dǎo)作用。教師首先根據(jù)學(xué)生課前預(yù)習(xí)的反饋信息，改正教學(xué)視頻的不足之處，確定重要知識(shí)點(diǎn)；其次對(duì)線上學(xué)生討論的內(nèi)容和反饋的情況進(jìn)行收集，并依據(jù)收集信息來設(shè)計(jì)課堂教學(xué)的內(nèi)容。由于在課前預(yù)習(xí)和自學(xué)的環(huán)節(jié)中，學(xué)生已經(jīng)完成了大多數(shù)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，在課堂上教師僅需要對(duì)知識(shí)點(diǎn)做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充和串聯(lián)，對(duì)學(xué)生普遍遇到的問題做統(tǒng)一講解，學(xué)生也可以針對(duì)自己在課前學(xué)習(xí)中遇到的問題進(jìn)行提問，與教師互動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)問題的學(xué)習(xí)和理解。與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)相比，這樣的課堂更加高效，同時(shí)能夠預(yù)留更多時(shí)間進(jìn)行師生互動(dòng)、交流和討論案例。在完成基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)后，學(xué)生將組成團(tuán)隊(duì)進(jìn)行學(xué)習(xí)、討論和合作，教師根據(jù)每堂課的知識(shí)點(diǎn)，提出數(shù)字電路的實(shí)用案例，來鞏固知識(shí)點(diǎn)和提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。各個(gè)團(tuán)隊(duì)分析、討論，得出解決方案，現(xiàn)場(chǎng)展示團(tuán)隊(duì)成果，各個(gè)團(tuán)隊(duì)之間進(jìn)行互評(píng)。方案展示的過程鍛煉了學(xué)生的組織能力、語言表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作的能力。

3）課后鞏固和拓展。

數(shù)字電路是一門工程性課程，這使得數(shù)字電路的教學(xué)不僅需要讓學(xué)生全面掌握課程知識(shí)，還要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。扎實(shí)的理論知識(shí)是實(shí)踐和創(chuàng)新的基礎(chǔ)，學(xué)生在完成基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)任務(wù)后，需要在課后完成相關(guān)作業(yè)，以便及時(shí)鞏固所學(xué)知識(shí)。教師在線發(fā)布測(cè)試作業(yè)，并對(duì)學(xué)生完成的測(cè)試作業(yè)進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定與信息統(tǒng)計(jì)，此外教師還要補(bǔ)充本次課所學(xué)知識(shí)在實(shí)際工程中的應(yīng)用實(shí)例，以提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力，這樣也能夠加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。由于數(shù)字電路的前沿技術(shù)發(fā)展很快，教師應(yīng)在課后補(bǔ)充最新的學(xué)習(xí)資源和科技動(dòng)態(tài)，供學(xué)生開闊視野，了解前沿科技。

2.2線上線下資源相結(jié)合

在基于翻轉(zhuǎn)課堂的數(shù)字電路教學(xué)改革中，充分利用線上線下資源是關(guān)鍵。線上線下資源相結(jié)合，可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的不足。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和移動(dòng)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(yè)和測(cè)試提供了有利的條件。在新的教學(xué)模式中，教師可以最大程度發(fā)揮線下教育的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)線上教育的不足，達(dá)到最佳的教學(xué)效果。線上線下資源相結(jié)合的示意圖如圖2所示。

（1）線上資源的利用：①教師為學(xué)生篩選優(yōu)質(zhì)的線上教學(xué)視頻資源，或自制教學(xué)視頻供學(xué)生課前預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)時(shí)使用，學(xué)生也可以利用網(wǎng)絡(luò)資源自主學(xué)習(xí)；②發(fā)揮線上討論區(qū)的作用，學(xué)生對(duì)實(shí)際數(shù)字電路實(shí)例相互討論、交流和分享經(jīng)驗(yàn)；③課后鞏固與拓展，在線提交作業(yè)，利用MOOc等網(wǎng)絡(luò)資源，了解數(shù)字電路的發(fā)展與前沿動(dòng)態(tài)；④線上數(shù)據(jù)借助后臺(tái)系統(tǒng)可以方便地統(tǒng)計(jì)和分析，有助于教師及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

（2）線下教學(xué)：①教師根據(jù)在線教學(xué)視頻，或自制教學(xué)視頻的不足之處做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充，對(duì)知識(shí)點(diǎn)做整體的串聯(lián)，幫助學(xué)生全面系統(tǒng)地掌握所學(xué)知識(shí)；②分團(tuán)隊(duì)交流與合作，與教師互動(dòng)，解決線上無法解決或無法理解的問題；③實(shí)例學(xué)習(xí)、展示和實(shí)際數(shù)字電路設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了在線教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的不足，提高了學(xué)生對(duì)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力。

3.基于翻轉(zhuǎn)課堂的數(shù)字電路教學(xué)案例分析

數(shù)字電路是一門工程性質(zhì)學(xué)科，注重實(shí)踐，并且知識(shí)點(diǎn)繁多，傳統(tǒng)的以教師講授教學(xué)為主、實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔的模式使得學(xué)生興趣低，實(shí)際操控能力弱，教學(xué)效果不理想。我們以數(shù)字電路中的觸發(fā)器章節(jié)為例，詳細(xì)介紹基于翻轉(zhuǎn)課堂的數(shù)字電路教學(xué)改革案例，展示如何運(yùn)用翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計(jì)課前知識(shí)體系、課堂互動(dòng)教學(xué)、課后知識(shí)鞏固。

3.1課前預(yù)習(xí)與自習(xí)

在課前預(yù)習(xí)與自習(xí)環(huán)節(jié)中，教師需要對(duì)課堂知識(shí)進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)整理，提取出一系列知識(shí)點(diǎn)，以便學(xué)生能夠自行學(xué)習(xí)。以數(shù)字電路中的觸發(fā)器章節(jié)為例，對(duì)該章節(jié)知識(shí)進(jìn)行提取分析，將提取出的知識(shí)點(diǎn)組建成一顆知識(shí)樹，如圖3所示。

在圖3中，將觸發(fā)器章節(jié)中知識(shí)按照觸發(fā)器的觸發(fā)方式進(jìn)行劃分，分成3個(gè)知識(shí)點(diǎn)，這些是學(xué)習(xí)觸發(fā)器的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，分別是RS觸發(fā)器、主從觸發(fā)器、邊沿觸發(fā)器。①RS觸發(fā)器。RS觸發(fā)器是構(gòu)成其他各種功能觸發(fā)器的基本組成部分，具有兩個(gè)不同穩(wěn)定狀態(tài)的二進(jìn)制存儲(chǔ)單元，按照工作機(jī)制的不同，又可分為基本RS觸發(fā)器和同步RS觸發(fā)器。基本RS觸發(fā)器可以由與非門或者是或非門構(gòu)成，具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)：1態(tài)或O態(tài)，在外力的作用下可以置成1態(tài)或0態(tài)。同步RS觸發(fā)器在基本RS的基礎(chǔ)上引入同步信號(hào)，使觸發(fā)器僅在同步信號(hào)到達(dá)時(shí)按輸人信號(hào)改變狀態(tài)。②主從觸發(fā)器。為提高觸發(fā)器的可靠性，希望在每一個(gè)CP脈沖期間，觸發(fā)器的狀態(tài)只翻轉(zhuǎn)一次，為此在同步RS基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了主從結(jié)構(gòu)觸發(fā)器。主從觸發(fā)器包括主從RS觸發(fā)器和主從JK觸發(fā)器，主從RS觸發(fā)器由兩個(gè)同步RS觸發(fā)器，劃分為主觸發(fā)器和從觸發(fā)器，從觸發(fā)器的狀態(tài)是整個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)。主從Ⅸ觸發(fā)器在原觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，改正原觸發(fā)器在特定條件下狀態(tài)的不確定性。③邊緣觸發(fā)器。邊緣觸發(fā)器提高了觸發(fā)器的可靠性，增強(qiáng)抗干擾能力，使得觸發(fā)器的次態(tài)僅取決于CP上升或下降沿到達(dá)時(shí)刻輸入信號(hào)的狀態(tài)。邊緣觸發(fā)器包括維持阻塞結(jié)構(gòu)邊緣觸發(fā)器和利用傳輸延遲時(shí)間的邊緣觸發(fā)器。

上述知識(shí)點(diǎn)是觸發(fā)器章節(jié)中的主要知識(shí)點(diǎn)，將上述知識(shí)點(diǎn)組成一顆知識(shí)樹，對(duì)于每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，教師錄制10-15分鐘視頻，講解知識(shí)點(diǎn)要領(lǐng)，幫助學(xué)生理解，對(duì)于重難點(diǎn)問題，制作PPT文檔以幫助學(xué)生進(jìn)一步理解，同時(shí)為每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)設(shè)置習(xí)題，學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上在線演練，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解；對(duì)于難點(diǎn)問題，可以在線進(jìn)行問題反饋，在線系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的習(xí)題進(jìn)行評(píng)分，以便教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

3.2課堂互動(dòng)式教學(xué)

在課堂互動(dòng)教學(xué)中，針對(duì)課堂知識(shí)點(diǎn)安排相關(guān)教學(xué)活動(dòng)，將課堂互動(dòng)教學(xué)分為重難點(diǎn)知識(shí)詳解、提問互動(dòng)、分組討論互動(dòng)3個(gè)部分。經(jīng)過上述3個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生將加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，并且在互動(dòng)環(huán)節(jié)中將理論運(yùn)用于實(shí)踐中，用于解決實(shí)際問題，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展學(xué)習(xí)。

（1）重難點(diǎn)知識(shí)詳解。在課前預(yù)習(xí)與自習(xí)環(huán)節(jié)中，學(xué)生對(duì)于難以理解的問題進(jìn)行在線反饋，教師對(duì)學(xué)生反饋的問題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并設(shè)置問題集，將新問題加入到問題集中，以便學(xué)生后期復(fù)習(xí)時(shí)查漏補(bǔ)缺，加深對(duì)問題的理解；教師按照問題的普遍程度進(jìn)行劃分，對(duì)于普遍問題重點(diǎn)分析，幫助學(xué)生理解，在該環(huán)節(jié)中以教師教授為主。

（2）提問互動(dòng)。在對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)講解后，需要學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上反饋學(xué)習(xí)情況，以師生提問互動(dòng)的形式進(jìn)行學(xué)習(xí)情況評(píng)定，在此期間，教師依據(jù)重難點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行提問，學(xué)生回答。

（3）分組討論互動(dòng)。在上述兩個(gè)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，以案例驅(qū)動(dòng)的方式快速提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。教師依據(jù)課堂知識(shí)，設(shè)計(jì)案例，學(xué)生自行分組討論，并將最后討論結(jié)果，以小組形式進(jìn)行成果展示，最后由教師分析各個(gè)討論組的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.3課后知識(shí)點(diǎn)鞏固

在上述兩個(gè)環(huán)節(jié)中，教師依據(jù)課堂知識(shí)設(shè)計(jì)知識(shí)學(xué)習(xí)體系，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況設(shè)置課堂教學(xué)活動(dòng)，通過上述兩個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生基本掌握了課堂知識(shí)，具備了理論結(jié)合實(shí)際的解題思想。在課后，學(xué)生需要對(duì)掌握的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固學(xué)習(xí)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)擴(kuò)展，將課堂知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際問題中，動(dòng)手解決實(shí)際問題，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

4.考核與評(píng)價(jià)體系

為了合理地評(píng)價(jià)新教學(xué)模式的教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，我們?cè)O(shè)計(jì)了全面的考核和評(píng)價(jià)體系。根據(jù)課程教學(xué)的3個(gè)環(huán)節(jié)和期末測(cè)試環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)4個(gè)方面的過程考核與評(píng)價(jià)方法。

（1）課前自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)：學(xué)生在課前通過觀看教學(xué)視頻學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)，在線閱讀預(yù)習(xí)文檔完成預(yù)習(xí)任務(wù)。系統(tǒng)將自動(dòng)統(tǒng)計(jì)每個(gè)學(xué)生的視頻觀看時(shí)長(zhǎng)和次數(shù)，教師根據(jù)學(xué)生視頻觀看的時(shí)長(zhǎng)和討論區(qū)討論問題的情況來進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（2）課堂互動(dòng)教學(xué)環(huán)節(jié)：教師在講解完重難點(diǎn)知識(shí)后，提出啟發(fā)性的問題和數(shù)字電路的應(yīng)用實(shí)例供團(tuán)隊(duì)討論。教師根據(jù)每個(gè)團(tuán)隊(duì)討論、回答問題的情況和方案展示的可行性和創(chuàng)新性來點(diǎn)評(píng)和打分，團(tuán)隊(duì)之間的互評(píng)也將作為重要參考依據(jù)。

（3）課后鞏固拓展環(huán)節(jié)：這個(gè)環(huán)節(jié)的考核主要依據(jù)課后學(xué)生在線作業(yè)完成的情況。最后由教師根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整課前、課中和課后環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)得分的比重，加權(quán)計(jì)算得到學(xué)生的平時(shí)成績(jī)。

最后一項(xiàng)評(píng)分采用線下考試的方式，考試成績(jī)和平時(shí)成績(jī)加權(quán)構(gòu)成最后的考核成績(jī)。為突出學(xué)生自主學(xué)習(xí)和能力培養(yǎng)的重要性，應(yīng)適當(dāng)增加平時(shí)成績(jī)所占的比重。考核與評(píng)價(jià)的各項(xiàng)參考比重見表1。

5.結(jié)語

基于翻轉(zhuǎn)課堂的數(shù)字電路教學(xué)改革，是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)教學(xué)方式的一次革新，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式為數(shù)字電路的教學(xué)提供了一種新的思路。數(shù)字電路課程結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的提升，以啟發(fā)式案例教學(xué)方式來提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神以及自主學(xué)習(xí)興趣；通過數(shù)字電路的實(shí)例訓(xùn)練和師生互動(dòng)交流的教學(xué)方式，讓學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)和提高工程實(shí)踐能力；線上線下資源相結(jié)合，可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效率，取得良好的教學(xué)效果。