知識可視化與項目驅動法在數字電路實驗教學中的應用

陳根華++曾春花++葛旭文

摘要：針對數字邏輯電路中基本概念多且抽象及工程實踐性強的特點，如何設計教學內容與環節，使學生在有限學時中掌握其實際應用知識，以提高學生的綜合實踐與工程應用能力，是數字電路實驗教學需要解決的重要問題。知識可視化與項目驅動法等先進教學工具與方法已應用于數字電路實驗教學，并取得良好的實驗教學效果。

關鍵詞：知識可視化；項目驅動法；虛擬仿真；數字電路

【中圖分類號】G642.0

基金資助：

[1]南昌工程學院校級教改課題（課題編號：2014JG002）

[2] 2014年江西省大學生創新創業計劃專項基金項目

0 引言

數字電路是電子信息類、通信類、自動化類、計算機類等專業的必修課程[1]，是概念性、實踐性、工程性都很強的專業基礎課。該課程的教學，是以培養學生的專業素質和實踐能力為目標，以培養學生的工程應用能力為核心。如何設計教學內容與環節，使學生掌握更多的實際應用知識，以提高學生的綜合實踐與工程應用能力，各高校都在其教學大綱中設計了重要的實驗環節。目前，大部分高校的實驗內容主要以驗證性實驗為主，以綜合設計性實驗為輔。筆者認為，綜合設計性實驗選題設計的質量優劣，直接關系到數字電路的實驗教學質量的高低，進而影響學生的學習積極性及學習效果。

針對數字電路中基本概念的“多、雜、抽象”及器件類型的“多、繁、廣”的特點[1-2]，本文提出利用知識可視化技術與項目驅動教學法開展數字電路課程的理論與實驗教學，將多且抽象的理論概念用知識可視化技術展示出來，便于概念的理解與掌握，同時以項目驅動的教學方式調動學生主動學習的積極性，激發學生的創新與實踐能力，培養學生的創新意識與協作精神。以上先進教學工具與方法在數字電路實驗教學中的應用在南昌工程學院通信工程系已取得良好的教學效果與口碑。

1 知識可視化與項目驅動法

Martin和Burkard于2004年提出的知識可視化（Knowledge Visualization）已成為全球教育工作者的研究熱點[3-4]。知識可視化是指利用可視化技術將抽象復雜的知識轉化為易于被認知接受的視覺圖像，能夠減少認知負荷，便于知識的理解、傳播和創新。簡而言之，知識可視化是為了幫助學生通過自主學習的方式獲取知識或者理解知識，將專家的知識結構展現給學生的一種途徑，也指所有用來建構和傳遞復雜見解的圖解手段。

項目驅動法是指在教學過程中以項目為基線或核心進行教學內容的展開，把相關的知識點融入到項目中的各個環節中，逐層推進項目[5]。通過對項目問題的深化或功能擴充，進一步拓寬知識的廣度與深度，直至得到一個完整的項目解決方案，從而達到學習知識、培養能力的目的。因此，項目驅動法的基本特征為“項目為主線，老師為主導，學生為主體”[6]。顯然，項目驅動法可將枯燥的知識轉變為生動的技術實現，利于學生理解和掌握所學知識，培養學生的解決問題與創新能力。

2 案例分析

在數字電路實驗的綜合設計性實驗環節，筆者采用知識可視化與項目驅動法進行教學。顯然，項目選題才是綜合設計實驗的關鍵，而知識可視化僅是工具與手段。項目驅動法的項目任務應盡可能包含多種設計方案，而且要求具有典型性，其目的是既利于每個學生在設計過程中具有多種選擇，極大擴展學生的發散思維，激發學生的創造力，又能發揮教師的引導作用，突出學生的主體創造作用。而知識可視化技術只是一種知識表征工具，以期實現抽象的數字電路概念知識的圖表化、直觀化及可視化，進而便于理解與掌握。

下面以筆者實驗教學的具體實例——七分頻邏輯電路系統設計，簡述知識可視化與項目驅動法在數字電路實驗教學中的應用。

七分頻邏輯電路系統設計的具體要求為：實現輸入時鐘脈沖的七分頻輸出，其中輸出占空比任意；時序電路形式為異步或同步；觸發器類型為D或JK觸發器，組合邏輯器件任意，利用實驗室平臺進行設計及示波器測試系統輸出波形。

1）電路系統建模

眾所周知，邏輯系統設計的關鍵工具就是可視化的狀態圖[1]，因此本設計也采用狀態轉換圖進行系統的建模。由數字電路原理可知，僅需三位觸發器即可實現輸入脈沖的七分頻，用最高位觸發器的輸出作為系統輸出[1]。本文任意選擇兩種狀態轉換過程以說明知識可視化技術在本設計中的應用，如圖1所示。

顯然，由圖1的兩個建模方案中的狀態轉換圖可知，方案1的占空比為 ，方案2的占空比為 ，輸出為非對稱的矩形波，從而以可視化的形式說明了占空比（Duty Cycle）的基本概念。電路系統建模是否合理，可利用Multisim等虛擬仿真軟件進行模型驗證。

2）電路系統結構設計

學生收到任務后，充分發揮各自的發散性思維，提出了多種電路設計方案，大致概括為以下三類，并選取典型案例加以說明：

明顯地，由圖2可得，選擇不同的觸發器類型可實現相同的功能；由圖3可看出，D觸發器構成異步電路比同步電路要簡單的多，而且可靠，但其設計技巧性較強，主要因異步電路設計自由度較大[2]；而由圖4可得，不同的電路狀態選取，得到的電路結構復雜度與設計成本也完全不同。結合以上的知識可視化技術，綜合不同實例可看出，數字電路中的異步與同步、最簡與非最簡、JK觸發器與D觸發器等抽象概念都在學生的綜合設計性實驗的創造性設計過程中熟悉并掌握。

3 結束語

知識可視化與項目驅動法等先進教學工具與方法可在數字電路實驗教學過程中取得良好的教學效果。知識可視化將抽象復雜的概念通過易于接收的視覺圖表表示出來，便于學生的對知識點的理解與掌握。而項目驅動法將學生的學習模式由被動學習轉為主動學習，且改變原來單調的授課方式，極大的釋放了學生的學習潛能，激發了學生的創新意識。當然，知識可視化表現方式與項目設計質量的優劣直接影響其在數字電路教學中的應用效果，因此知識可視化表現形式與項目設計需要重點思考與把握。如何更好的發揮知識可視化與項目驅動法的潛在優勢，需要不斷地完善數字電路相關知識的可視化形式，不斷地提高項目設計深度與廣度。

參考文獻：

[1]閻石.數字電子技術基礎（第五版）[M]，北京：高等教育出版社，2006.

[2]劉金錦 等.“數字電子技術基礎”課程改革探索與實踐[J].工業與信息化教育，2015（3）：24-26.

[3]張霞.知識可視化研究綜述[J].軟件導刊（教育技術），2013（2）：8-11.

[4]Eppler，M.J.，Burkard，R.A. Knowledge visualization： towards a new discipline and its fields of application. http：//www.bul.unisi.ch/cerca/bul/publication/com/pdf/wpca0402.pdf.

[5]蓋穎.項目驅動教學法在現代漢語教學中的應用[J].教育探索，2009（8）：53-54.

[6]馮強，白珍.項目教學法在工業設計專業教學中的實踐[J].大學教育，2015（7）：144-145.

作者簡介

陳根華，1980.10，男，漢族，江西吉安人，講師，研究方向為雷達信號與信息處理，南昌工程學院信息工程學院。