基于乘法策略的數字電子實驗教學模式研究

梁麗勤，張寶健，郭獻章，劉 揚

(東北大學 秦皇島分校 a.實驗教育中心；b.控制工程學院，河北 秦皇島 066004)

實驗教學是本科教學的重要環節，是理論教學的重要實踐補充，是培養學生實踐技能、獨立思考、解決問題的能力和創新能力的重要手段. 數字電子技術實驗課是電學相關專業學生接觸最早的專業實驗課程之一，面向對象是相關專業本科二年級學生. 學生首次接觸專業基礎課，專業知識學習不深入，在這個階段可以通過一系列的實踐能力訓練，提高學生創新意識和創新能力，為學生進入高年級專業課學習及參加專業創新競賽奠定良好的基礎.

混合式學習及教學方式之一是利用“互聯網+”豐富的技術手段實現利用微課、翻轉課堂和虛擬實驗等信息技術手段，將傳統課堂中師生面對面教學與數字化學習相結合的教與學的新方式，旨在發揮教師在教學過程中的引導、啟發、監控等主導作用，體現學生在學習過程中的積極性、主動性和創造性[1-3]. 但由于混合式教學模式受實驗設備和場所的限制，與理論課教學模式存在較大區別，在實踐類課程中的應用并不廣泛. 混合式教學模式早期應用在經濟學、管理學等實驗課程中[4]，2016年開始應用于英語、物理等實驗課程[5-13]. 該嘗試和應用實踐取得了較好的課堂效果，促進了學生自主學習，提升了學生動手能力以及創新能力. 基于微創新中的乘法策略理論[14]的實驗教學模式能夠將運用微課、翻轉課堂和虛擬仿真實驗等混合式教學方式系統化、規范化，深度挖掘實驗教學在提高學生創新意識和創新能力作用的潛力.

1 微創新中的乘法策略理論

文獻[14]中乘法策略的定義為選擇1個對象，對它進行復制和修改，以構想出全新的產品或服務. 芝加哥的地標之一西爾斯大廈的建筑結構設計、吉利雙刀頭剃須刀、不同傾角的氣泡水平儀和SAT標準化測試的設計思路都遵循了乘法策略理論. 乘法策略不只是給產品或服務做簡單的加法，而是在復制的同時對產品的部件做出改動，最終達到產品創新的目標.

美國的SAT(學術能力評估測試)考試首次推行了基于乘法策略的出題模式. SAT考試針對測試題目運用乘法策略，將SAT考試中的試題分為給分題和不給分題，不給分題混雜在測試中，考生不能從試卷中得知哪些是不給分題. 將某些題目的分值修改為零(即不給分的“實驗題”)，使得美國大學理事會通過了解給出正確答案學生的比例，從而確定這些題目在未來考試中的效度，最終解決歷年試卷在試題的新穎性、難易程度、出題人能力差異等問題. 自從美國大學理事會推行了基于乘法策略的出題模式后，世界各地很多考試機構都開始紛紛效仿. 如今，各級教師也參照美國大學理事會當年采取的手段，有效地保證各類測試的公平性和準確性.

運用乘法策略，主要有以下5個步驟：

1)列舉產品或服務的內部組成部分；

2)選擇其中一部分進行復制(列舉出該部分的屬性，并選擇1個基本屬性加以改變)；

3)設想新產品或新服務的樣子；

4)分析其潛在優勢、市場需求等；

5)確定好新產品或新服務的價值，再分析方法的可行性及如何調整等問題.

乘法策略最終通過對產品的某個部分做乘法，并通過調整使其具備了先前不具有的特性，完成產品的創新.

2 基于乘法策略的數字電子實驗教學模式研究

數字電子實驗教學模式的改革，基于上述的乘法策略，復制原有的實驗課，實現了預習課、實驗課和復習課“三課合一”的實驗教學模式.

2.1 數字電子實驗教學現狀

數字電子實驗教學的內部組成部分(即內部控件)主要包括：教師課前準備、教師上課講解、學生實踐實驗、教師指導實驗以及學生完成實驗報告，其屬性包含：實驗教師教學的方式、學生實驗的途徑、教師指導的方式以及學生實驗報告的類型.

2.1.1 教師課前的準備和課上講解現狀

教師課前做充分準備，進行先行實驗，仔細檢查儀器設備和實驗材料(包括實驗芯片、元件和導線). 在學生實驗開始前，教師對實驗的目的和要求、實驗原理、儀器設備的使用方法、實驗操作過程等，通過講授或談話等方式作充分說明，必要時進行電路連接示范，以增強學生實驗的自覺性. 例如：在首次實驗中，實驗包含的儀器介紹及使用方法往往占用大量的時間，由于學生對儀器比較陌生，即使教師講授得非常具體，學生也經常會發生儀器操作失誤，進而導致實驗失敗甚至損壞設備，致使教師維護儀器設備的工作量增加，學生對實驗形成畏懼感、排斥感.

2.1.2 學生實踐實驗現狀

學生按照教師的實驗講解、實驗指導書的操作步驟，查找芯片型號并按照電路圖連接導線，通過測試對應輸入的輸出電平、信號狀態，驗證電路的邏輯或時序關系，達到進一步理解和掌握理論知識的目的. 由于實驗方法單一，僅僅依靠教師講解實驗操作步驟，學生按實驗要求進行測試，無需進行深入思考即可完成實驗，使得實踐環節多是機械模仿，缺乏問題意識，缺乏創新性，教學效果達不到預期目標.

2.1.3 教師指導實驗現狀

在實驗過程中，教師巡視指導，及時發現和糾正出現的操作不當問題，進行科學態度和方法的教育. 由于學生對儀器設備操作不熟練，教師大多是幫助學生檢查芯片的選擇或安裝、電路的連接等問題，無暇關注學生的電路設計及對電路原理的理解，導致不能彰顯教師在創新意識和能力培養的引領作用.

2.1.4 學生完成實驗報告現狀

實驗結束后，學生對實驗進行總結并寫出實驗報告. 由于學生實踐實驗大多停留在機械地模仿，學生實驗的總結也較多集中在實驗模仿的過程中出現問題的分析和總結，實驗報告的主要內容為實驗數據的整理和誤差分析，不能達到培養學生獨立思考、解決問題的能力和創新能力的教學目標.

列舉數字電子實驗教學的內部組成部分，是運用乘法策略的步驟1)，為進行復制等后續過程做充分的準備.

2.2 運用乘法策論，復制實驗課

運用乘法策略復制實驗課原理圖如圖1所示. 首先確定復制實驗課的份數，分別為預習課、實踐課和復習課3份；再分析每個副本內部的組成部分的屬性，并選擇至少1個基本屬性加以改變；最終得到3份不同功能的實驗課.

圖1 運用乘法策略復制實驗課原理圖

副本1(預習課)：預習課是在學生未接觸實際實驗設備儀器的情況下，運用過微課、虛擬仿真平臺和網絡教學平臺，學生通過學習微課視頻、查閱資料和仿真實驗等方式，掌握實驗原理、步驟、實驗理論分析和電路設計等實驗內容. 根據預習課的以上特點，將原實驗課的5個內部控件(教師課前準備、教師課上講解、學生實踐實驗、教師指導實驗和學生完成報告)的內部屬性(實驗教師教學的方式、學生實驗的途徑、教師指導的方式和學生實驗報告的類型)加以改變后，分別為教師錄制微課、教師發放微課、學生仿真實驗、教師在線指導和學生完成預習實驗報告.

副本2(實踐課)：實踐課是在學生已經通過微課、虛擬仿真平臺和網絡教學平臺對實驗原理、步驟、實驗理論分析和電路設計等實驗內容基本掌握的情況下，在實際實驗環境中完成實驗. 根據實踐課的特點，將原實驗課的5個內部控件的第2個(教師課上講解)改為教師課上提問和學生介紹設計思路的翻轉課堂模式，以此了解學生預習的效果和實驗原理等的掌握情況，再進行有針對性的輔導.

副本3(復習課)：復習課是在學生實踐課后，通過教師總結微課，完成擴展實驗的仿真實驗課. 根據復習課的特點，將原實驗課的5個內部控件加以改變，分別為教師錄制復習微課、教師發放微課、學生仿真擴展實驗、教師在線指導和學生完成擴展實驗報告.

2.3 基于乘法策略的數字電子實驗教學模式設計

基于乘法策略的數字電子實驗教學模式設計如圖2所示. 基于乘法策略的教學模式將原有的課堂教學復制，形成預習課、實驗課、復習課3部分組成的實驗教學模式. 數字電子實驗課不僅要求學生掌握基本芯片的使用方法，而且要求能在實驗中掌握電路的分析與設計方法，最終為后續的微機原理、單片機等專業課的學習打下堅實的基礎. 對于電路的分析與設計方法、學生創新型思維的訓練，單純依靠1次實驗課是無法完成的. 在乘法策略創新型思維的啟發下，根據數字電子實驗課的特點，設計了基于乘法策略的數字電子實驗教學模式，復制原有的實驗課，實現了預習課、實踐課和復習課“三課合一”的實驗教學模式.

圖2 基于乘法策略的數字電子實驗教學模式設計

預習課建立于微課、仿真實驗和網絡平臺的基礎上，圍繞學生預習更加充分的目標開展. 預習課中，教師通過微課向學生介紹實驗目的、原理、要求，實驗儀器使用，仿真實驗及預習實驗報告的要求；學生通過學習預習微課、實驗指導書和查閱網絡資料，完成實驗的仿真和預習實驗報告. 在學生預習期間，學生與教師可以通過網絡平臺完成答疑工作. 通過教師網上答疑、學生提交預習課報告和實驗具體要求確定實踐課中教師翻轉課堂的提問環節問題.

實踐課改變了原實驗課教師講解部件的教學方式屬性，由教師講解方式改為翻轉課堂教學方式. 實踐課中通過教師提問和學生電路設計思路介紹，教師更好地了解學生預習的情況并有針對性地對實驗的具體操作等重點提示. 由學生介紹設計思路、實驗，教師指導實驗和學生提交的實踐課報告形成實踐情況評價. 實踐情況評價不僅可以對復習課的總結有指導作用，還可以反饋給翻轉課堂環節，促進下一輪實踐課的開展.

復習課是在開展實踐課后的附加內容，通過擴展性的實驗鞏固實驗原理和方法. 教師可根據具體實驗布置擴展實驗題目，學生通過仿真實驗完成. 類似于預習課的指導模式，教師通過網絡進行答疑，最后，根據答疑的情況和學生提交的復習課報告形成復習情況評價.

數字電子實驗“三課合一”的實驗教學評價包含了預習課、實踐課和復習課的情況，覆蓋了實驗課的全過程，為整體實驗教學模式的完善提供依據. “三課”的情況評價不僅對本環節的教學具有反饋作用，同時也對后續教學環節的開展具有指導作用.

3 實施效果

在1年的教學模式改革嘗試中，通過教師課堂觀察、學生課后反饋及后續跟蹤了解，基于乘法策略的教學模式在數字電子技術實驗課程中取得了良好的效果.

1)學生預習的主動性明顯加強. 通過預習課中發放的微課，學生對實驗課的目的和要求、實驗儀器有了較深入的了解，在完成預習課中的電路設計圖等任務中主動加強對相關知識的預習、查閱資料文獻并將設計的電路圖在Multisim仿真軟件中仿真實現，對于遇到的各種問題還可以通過網絡教學平臺、微信和QQ等方式，得到教師1對1的指導，這在很大程度上提高了學習的主動性和預習的效果.

2)教師在課堂中講授的內容更有側重性. 教師通過課堂提問，了解學生預習的情況，對學生掌握得比較好的實驗內容可以一帶而過，對學生覺得難理解、注意事項較多的內容可以詳細介紹. 例如，在首次實驗中儀器使用介紹往往占用大量的課上時間，學生由于對儀器比較陌生，即使教師講授得具體詳細也經常發生儀器操作失誤，進而導致實驗失敗甚至損壞設備. 相反，“三課合一”教學模式實施后，學生已經通過微課和虛擬實驗，在視覺上對儀器設備具有一定的認識，并對儀器使用規范等重點和難點可多次觀看微課以加深印象. 在課上環節，教師通過提問方式，了解學生具體掌握了哪些儀器的使用規范,哪些還不太深刻，可以有針對性、有重點地介紹相關的知識，縮短講解時間，提高了學生的聽課效果，提高實驗成功率，并保證設備的完好率. 因此，教師課堂講授內容隨著不同專業，甚至不同班級的具體情況，詳略不一，更具針對性和側重性.

3)學生課上的實驗效率有所提高. 由于預習課中學生的預習充分，課堂中教師的提問、學生介紹實驗電路等設計思路、教師點評等互動環節變得更活躍，學生對實驗過程的操作更加得心應手，實驗內容的完成更加有目的性，降低了誤操作的概率，縮短了完成時間，提高了實驗效率，實驗過程更加順利. 以我校為例，4次數字電子實驗平均完成時間和規定時間完成實驗比例對比如表1所示.

表1 基于乘法策略的實驗教學模式開展前后實驗效率對比

4)學生的電路設計能力、創新意識和實踐能力得到了進一步的提高. 區別于往年的電路連接實驗，學生通過預習課的電路設計、仿真實驗，實踐課的小組討論、電路設計思路介紹、實驗實際操作，復習課的擴展實驗仿真實現，掌握了基本的電路設計思路和步驟. 例如，在計數器實驗中，要求學生完成十六進制到六進制、十進制等其他進制的轉換及2位74LS190芯片組成的加法計數器. 傳統的教學模式下，教師將設計好的參考電路告訴學生，大多數學生會按照參考電路直接連接導線，驗證參考電路的正確性. 經乘法策略改革后的教學模式下，教師并未給出參考電路，學生在實驗時已經將自行設計的電路仿真驗證成功，在課上與其他學生和教師進行設計思路的交流. 通過學生介紹、教師點評，學生對計數器的功能更加熟悉，真正達到了實驗課程鍛煉學生實踐與操作能力的目標. 在進入三年級后，學生參與創新類的競賽積極性明顯提高，并且在“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、大學生節能減排社會實踐與科技競賽等國家級電子類創新大賽中多次獲獎.

綜上所述，從授課情況、學生學習情況、學生自身能力培養等多方面來看，基于乘法策略的數字電子技術實驗教學模式取得了良好的教學效果.

4 結束語

基于乘法策略的數字電子實驗教學模式吸取了現有的混合式教學模式的有益探索，對原實驗課復制為預習課、實踐課和復習課，并且根據各自特點對講授方式、指導方式和實驗方法等做出相應改變，形成“三課合一”的實驗教學新模式. 該實驗教學模式從預習、實踐到復習，每個環節更注重對學生學習的主動性和創新性的培養，使學生從原來被動接受知識變為自主探索新知識，最終達到在實驗課中鞏固理論知識、鍛煉設計電路的能力、培養創新實踐意識. 基于“乘法策略”理論的數字電子實驗教學模式能夠將運用微課、翻轉課堂和虛擬仿真實驗等混合式教學方式系統化、規范化.