結合翻轉式學習與探究性學習的數字電路教學方法研究

宋彩霞，陳龍猛

（青島農業大學 理學與信息科學學院，山東 青島 266109）

0 引 言

工程專業的專業基礎課涉及許多概念知識，教學目標希望通過這些課程的學習，使學生具備工程師的專業推演能力。與記憶概念知識（以下簡稱知識）不同，工程師的專業推演能力包括思考、探索、發現問題、分析問題，以及根據經驗決策、解決問題的專業能力[1-2]，是工程專業學生必須具備的關鍵技能。

但是，在實際授課過程中，教師要想在傳播知識的同時，提高學生的推演能力，具有挑戰性：① 為完成工程教育繁重知識的傳播以及調查研究復雜的任務，課堂時間往往顯得非常有限；② 學生對知識的深入理解，也就是獲得深度學習，一方面，只依靠通過課堂講解的方式是很難獲得的；另一方面，對于大多數教師來說，在課堂上進行相關的討論是很困難的[3]。

翻轉式學習與探究式學習方式的結合可以很好地解決上述問題[4]。數字電路是工程專業一門非常重要的專業基礎課，其側重于通過對常用數字芯片、邏輯電路的學習，使學生在掌握基本理論知識的基礎上，培養學生分析問題和解決問題的工程系統能力[5]。與其他專業基礎課相比，具有理論性與工程實踐性“雙強”的特點。

1 翻轉式學習模式與探究性學習模式

1.1 利用翻轉式學習方法進行概念基礎知識學習

Bergmann和 Sams在 Flipped Learning：Gateway to tudent engagement一書中說道，“翻轉式學習是一種教學方法，它通過把直接教學從群體學習空間轉移到個體學習空間，促使群體學習空間轉變為一種教師引導學生應用概念并創造性地進行主題學習的動態交互的學習環境”[6]。顯然，翻轉式學習是個性化學習。時間的重新分配有助于教師與學生在面對面的情景內參與更有價值的活動。因此需要學生在課前觀看視頻，否則在有限的課堂時間內，學生很難參與有效的探究活動。

此外，Bergmann和Sams指出，翻轉式學習可以與許多其他的教學方法相結合[6]。同時，翻轉課堂和翻轉（翻轉式）學習這兩個術語不可混用，翻轉課堂只是實現翻轉式學習的一種模型，而且翻轉課堂中也并不一定會發生翻轉學習。因此，翻轉學習是“學習內容的翻轉”，即“課中適合自主學習的內容”和“課下適合群體學習的內容”的顛倒[7]。根據修訂的布盧姆教育目標層級，將“課中的低級學習目標”和“課下的高級學習目標”進行翻轉[6]。這里所說的低級學習目標包含記憶、理解；高級學習目標包含應用、分析、綜合、評價[8]。

要想成功實現翻轉式學習目標，教學決策的作用將至關重要，如決定什么樣的知識將被提前傳遞，哪些內容將與學生探討解決。為了在課堂上創造寶貴的面對面時間，筆者探討使用了探究式學習方法。

1.2 利用探究性學習方法獲得專業推演技能

探究式學習是一種教學方法，典型代表是美國教育學家布魯納針對傳統教學“倉庫理論”提出的“發現教學模式”[2]。探究式學習使學生有機會參與知識創造，促進其獨立思考和智力成長，可通過借鑒其自身的經驗和先前的知識，進行探索實驗，為解決問題而進行爭論等。在這個過程中，有利于學生建立批判性思維、分析和溝通技巧，并學會有效利用資源。

隨著互聯網的發展，在現實教學中，教師獲得了一個新的角色：調解員/促進者。教師幫助學生把容易獲取的信息轉化為知識，并巧妙地增加了教師參與學生思維過程的程度。教師通過使用團隊協作或基于項目/問題的方式精心設計問題，來對學生進行指導，而不是單純地向學生展示事實或給學生提供清晰的問題解決方案。因此，探究式學習的關鍵是要讓學生深入參與到專業知識的構建活動中去，增加與同學協作以獲得問題解決方案的機會。課堂中的協作式學習可以鼓勵學生近距離與同學討論課程中的問題，支持學生的交流和挑戰學生的思維，提升其高層次的認知思維，進而鼓勵學生為自己的學習負責[9]，從而使所有學生都受益[10]。此外，這種探究式學習方法對糾正學生的錯誤概念，提高學生對基本概念的理解也十分有效。

2 數字電路課程教學方法的設計與實施

數字電路課程內容多學時少，一般采用大班授課的形式，教師不能兼顧不同層次學生的學習情況，學生遇到問題不便和教師及時溝通；另一方面，數字電路又是一門實踐性很強的課程，其側重于通過對常用數字芯片、邏輯電路的學習，使學生在掌握基本理論知識的基礎上，培養學生分析、設計數字電路系統的能力，培養學生較強的自主學習能力、動手能力、團隊合作能力，進而培養學生的創新意識和能力。

因此，本課程的設計實施采用混合教學模式，即概念知識點采用翻轉式學習方式教學，涉及電路設計的部分采用探究式學習方式教學，數字電路課程具體的教學模式安排見表1。

表1 數字電路課程各章節教學模式設置

2.1 翻轉式學習方式

在課程開始前，教師將視頻錄像、動畫和授課幻燈片在精品課程網站發布，學生可以通過任何一臺電腦，在任何時間訪問精品課程網站上的課程內容。為了鼓勵及約束學生在課前觀看視頻，教師在視頻的結尾部分會給出幾個題目，讓學生回答。此外，教師在課堂教學剛開始的幾分鐘內，可隨機提問學生，所提問題就是視頻中的問題。通過以上方式，教師可以檢驗學生是否認真觀看相關課程視頻。此外，筆者還設計了一個基于大數據的個性化自適應學習系統，用來記錄學生的學習軌跡，教師可以調閱查看哪些學生觀看了視頻，進而鼓勵并督促所有學生在每節課前觀看剪輯。該系統目前正在測試階段，下學期將開始使用。在課堂上，教師總結本節課的知識點，給出問題與學生一起討論，如學生被要求使用代數化簡法或者卡諾圖化簡法化簡邏輯表達式，教師根據在化簡過程中容易出現的問題與學生討論解決。

2.2 翻轉式學習+探究式學習方式

當教師講授到中規模數字電路或用芯片進行電路設計的章節時，采用翻轉式學習和探究式學習相結合的方式教學。在課前，學生通過網站學習基礎知識，課堂的大部分時間則采取小組討論的方式進行探究式學習。為創造討論的環境，先要將學生進行分組，每組由3名成績分別為優秀、一般和較差的學生組成（學生學習成績是由平時課堂提問、作業情況以及結合上學期班級排名而得出的）。在課堂上，由教師給出選定問題，要求每個小組集體討論解決問題。這些問題一般是由實際生活中引出的，如學生比賽用的多路搶答器電路、定時器等。在此期間，教師也給每個小組提供了與其他小組分享解決方案的機會。

首先，讓學生在自己的團隊中分享他們的解決方案，并討論選出最佳解決方案。待每個小組完成最佳解決方案后，2個小組可合并成1個臨時較大的組，從2個最佳解決方案中選出更佳的一個，而被選為更佳解決方案的團隊會獲得更多積分。最終，在本學期的最后，選出整個學期最優秀的團隊或個人，教師從自己的項目中拿出一部分資金，給予學生一定的物質獎勵。

其次，在每一組中計算測驗分數的平均分和標準差。在課堂中，教師特別向學生強調，一個好的團隊成績應該是高平均分和低標準差，而不僅僅是高平均分。這個策略旨在鼓勵學生合作討論與解決問題，共同提高專業水平。這實際上也符合工程認證的“全體原則”標準，即要求以全體學生為中心，所有的學生都必須滿足認證的12條標準[11]。在小組討論解決問題的過程中，教師無需提供直接的解決方案，其主要工作是管理時間，鼓勵學生相互合作，并觀察每個小組合作過程。

這種特意的分組與考察方式是出于3方面的考慮：①學生的多元化學習能力，即學生學習基礎的差異；②目前國內的一些大學生在參與討論和分享他們的想法方面一般都是被動的，他們通常都是從教師的講課中被動接受知識。因此，鼓勵參與集體協作討論解決問題，對于鼓勵探究式學習至關重要；③給予物質獎勵，更是一種精神鼓勵，且可以培養學生的競爭意識。

3 教學效果考核和評價

學習評價包含學生成績與學生調查兩部分。

3.1 學生成績

學生成績是對學生課程的掌握程度進行的客觀評價，分為形成性評估（在每次課堂作業之后）與總結性評估（期中與期末考試），采用論文、期中考試、期末考試、案例研究、課堂展示、課后作業、實驗情況等多元化的評估形式。評估方式的多元化構成有效避免了考試之前的突擊式學習，大大減少了學生之間抄襲作業的惡習[12]，突出了自主協作學習的重要性。

在教學實踐中，筆者對2016級的電子信息工程專業學生（71人）采用了翻轉式學習與探究性學習相結合的方式授課，對2016級的通信工程專業學生（77人）采用了傳統的課堂授課方式。這2個專業在學習數字電路之前，開設的基礎課程幾乎相同，而且專業背景與學生能力也相似。除此之外，這2個專業的共同點還體現在：①精品課程網站上所有的資料對這2個專業的學生都是開放的；②邀請了2名2015級通信工程學生對這2個專業的學生做了2場報告（這2名學生是學院創新小組成員，參加過全國、省級或者校級的各類電子設計比賽，有豐富的參賽與完成設計項目的經驗），他們報告的主題圍繞如何學習數字電路課程、數字電路在后續課程中的地位與作用展開；③數字電路課程對于這2個專業來說，采用相同的教材，有相同的課堂課時。考試用的是同一份試卷，試卷最后一個大題是選做題，從中選出一道題目進行解答，選做題是綜合類的設計題，涉及的知識點比較多。

從最終的考試成績來看，采用翻轉式學習與探究性學習相結合授課方式的學生的期末成績平均分高于傳統教學班級的學生5.76分。其標準差，采用翻轉式學習與探究性學習相結合授課方式班的為15.32，傳統課堂的班級的標準差為17.28。

3.2 學生調查

學生態度調查是從學生的主觀角度出發，對翻轉式學習與探究性學習相結合方式的教學效果進行的調查。通過調查，筆者整理出的幾項反饋意見：①創新小組學員的報告幫助了解數字電路的實際應用；②教師在課堂開始的提問會促使課前預習；③每次觀看視頻時，一般都會反復看上幾次；④課前觀看視頻，感覺在課堂上就可以有時間和機會與同學討論；⑤為了跟上同學，每次課前都堅持觀看視頻，為了能夠參加小組討論，必須每周堅持學習，不要拖延；⑥在這門課上可以說話了，不會再沉默了；⑦原來生活中遇到的許多問題，可以用學到的數字電路知識解決；⑧感覺自己與學習好的同學的距離在縮短。

通過學生反饋可以看出，每堂課之前的視頻觀看，可以使教師留出更多的課堂時間給學生討論。學生可以隨時看、反復看，特別是在他們需要提高理解力時可方便地觀看剪輯，有助于他們為期中考試或期末考試做好準備。

其次，通過讓學生集體承擔學習責任，并為他們提供更多與同學交流的機會，促進了探究式學習的討論。頻繁地溝通和集體學習是加深學生對數字電路課程內容理解、運用的有效途徑。課堂上進行的小組討論，使學生開始感受到學習的集體責任，促使他們積極與小組成員之間討論問題，并分享不同的方案，以便找到更好的解決方案，促進深度學習的發生。對于教師，成績的低標準差是相當有意義的，與提高平均分數一樣，因為它表明高成績學生與低成績學生之間的學習差距正在減小。

4 授課方式對教師的要求

4.1 心中有學生，從學生的視角設計教學

項目主題的選擇、實施方案的設計、所需材料的選取等，都應以學生主體來設計與選擇，教師不應包辦代替。教師不提供直接的解決方案，尊重學生自己的選擇。學生從自己生活的經驗世界中，利用所學知識，尋求解決方案，使探究式學習變得真正有意義與價值。

4.2 心中有生活，從生活中發現教學實例

從實際生活或是科研中發現適合的工程項目，將其引入教學作為配套項目，不需要占用過多的課堂時間就可以讓學生理解項目的主要功能。項目的選擇應兼具趣味性與知識性，如在課堂授課中用到的“多路智力競賽搶答器”就是從學校的各種競賽中受到啟發，學校經常組織各種知識競賽，學生對此比較熟悉，也比較感興趣。用學過的知識自己設計一個搶答器，既可以把知識轉化為成果使用，又能實現所做即所見，進而達到學以致用的目的。

4.3 心中有地位，重在引導、管理、協調

在教學過程中，教師要明確學生是主體，教師發揮的是主導作用。在教學過程中，教師要給學生提供必要的幫助和指導，使學生在探究中能明確方向，讓學生集體承擔學習責任。教師鼓勵和指導學生創造性地開展工作，教師可以通過電話、QQ 群、微信等電子手段和平臺對學生學習進行有針對性的指導和監控。要創設以“學”為中心的探究學習環境，有民主和諧的課堂氣氛，使學生很少感到有壓力。總之，這種環境要使學生真正有獨立探究的機會和愿望，而不是被教師直接引向問題的答案。

5 結 語

翻轉式學習和探究式學習的結合使用有助于提高工程專業的學生成績。可以使他們獲得更多的知識，并鼓勵學生學習的集體責任，促使學生深度學習，這些都為以后的工作實踐打下了良好的基礎。