数字电路的翻转课堂教学

袁友伟　仇建　张雪峰　陈逗　李鹏伟

摘要：针对目前数字电路课程教学中存在的问题，结合翻转课堂教学模式的特点，分析数字电路教学方式的设计和改革，提出新的数字电路教学模式和考核评价体系，为基于翻转课堂的教学改革提供了新的尝试。

关键词：翻转课堂；数字电路；教学改革

0.引言

近年来，随着计算机、互联网和多媒体技术的发展，高等教育的教育理念、教学目标、教学模式等都发生了巨大的变化。数字电路是电子、通信等专业的重要基础课，同时也是当今电子科技领域最富有变化、最具活力、最贴近实践、最具创新性的一门课程。翻转课堂教学模式利用丰富的教学资源，通过颠覆式的教学方式，促进师生互动，提高学生的学习兴趣和学习效率。国内外众多学者对翻转课堂教学模式进行了研究：清华大学的钟晓流等人在信息化环境中进行了基于翻转课堂理念的教学设计研究Ⅲ；吉首大学的曾明星等人进行了基于MOOC的翻转课堂教学模式改革探索翻；重庆师范大学的叶青和李明则进行了高校传统教学与翻转课堂对比的实证分析翻。

1.数字电路教学的现状

数字电路是电子、通信、计算机等专业的重要基础课，是学习后续知识的基础。当前数字电路教学模式存在许多问题：数字电路的教学仍以教师讲授为主，简单实验为辅，学生缺乏实际应用锻炼；大多数的教学内容依然沿用几十年前的技术，无法与现代电子技术接轨，限制了学生的实践能力；在教学中以教师为中心，学生被动接受知识，降低了学生的学习兴趣。

2.数字电路课程的教学改革

2.1教学模式上的改革

基于翻转课堂的数字电路教学模式，与传统教学模式最大的不同在于其颠覆性：把传统的课前预习、课上学习和课后完成作业的教学模式变为课前学生主动获取知识、课堂上互动式教学、课后拓展和巩固，如图1所示。

1）课前知识的获取。

针对数字电路课程的特点，教师将每个章节的知识提炼成若干知识点，并布置预习任务，放到网上供学生学习；学生利用课前时间在线观看教学视频，熟悉知识点，完成预习任务。在翻转课堂模式下，完成课前预习任务很重要，该模式具有以下特征：①数字电路知识点繁多，大多数内容不存在学习难点，适合学生线上自学完成；②网上资源众多，学生利用电脑或移动终端可以解决自己在学习过程中遇到的众多基础问题；③在线交流便捷，学生在预习过程中遇到不懂的问题，可以在线与同学进行讨论，教师也能方便地参与讨论；④教学模式灵活，教师可以根据学生线上讨论情况，及时调整和设计新的教学内容，使得修改后的教学内容更加贴近学生需求。

2）课堂互动式教学。

翻转课堂的主体是学生，课堂内以学生探讨交流为主，教师起引领与指导作用。教师首先根据学生课前预习的反馈信息，改正教学视频的不足之处，确定重要知识点；其次对线上学生讨论的内容和反馈的情况进行收集，并依据收集信息来设计课堂教学的内容。由于在课前预习和自学的环节中，学生已经完成了大多数知识点的学习，在课堂上教师仅需要对知识点做适当的补充和串联，对学生普遍遇到的问题做统一讲解，学生也可以针对自己在课前学习中遇到的问题进行提问，与教师互动，加强对重点问题的学习和理解。与传统的课堂教学相比，这样的课堂更加高效，同时能够预留更多时间进行师生互动、交流和讨论案例。在完成基础知识点的学习后，学生将组成团队进行学习、讨论和合作，教师根据每堂课的知识点，提出数字电路的实用案例，来巩固知识点和提高学生解决实际问题的能力。各个团队分析、讨论，得出解决方案，现场展示团队成果，各个团队之间进行互评。方案展示的过程锻炼了学生的组织能力、语言表达能力和团队合作的能力。

3）课后巩固和拓展。

数字电路是一门工程性课程，这使得数字电路的教学不仅需要让学生全面掌握课程知识，还要培养学生的实践能力和创新思维。扎实的理论知识是实践和创新的基础，学生在完成基础知识点的学习任务后，需要在课后完成相关作业，以便及时巩固所学知识。教师在线发布测试作业，并对学生完成的测试作业进行成绩评定与信息统计，此外教师还要补充本次课所学知识在实际工程中的应用实例，以提高学生对所学知识的实际应用能力，这样也能够加深学生对所学知识的理解。由于数字电路的前沿技术发展很快，教师应在课后补充最新的学习资源和科技动态，供学生开阔视野，了解前沿科技。

2.2线上线下资源相结合

在基于翻转课堂的数字电路教学改革中，充分利用线上线下资源是关键。线上线下资源相结合，可以充分发挥两者的优势，弥补各自的不足。互联网技术的成熟和移动终端的普及，让线上资源可以得到充分的利用，也为在线讨论、作业和测试提供了有利的条件。在新的教学模式中，教师可以最大程度发挥线下教育的优势，弥补线上教育的不足，达到最佳的教学效果。线上线下资源相结合的示意图如图2所示。

（1）线上资源的利用：①教师为学生筛选优质的线上教学视频资源，或自制教学视频供学生课前预习和复习时使用，学生也可以利用网络资源自主学习；②发挥线上讨论区的作用，学生对实际数字电路实例相互讨论、交流和分享经验；③课后巩固与拓展，在线提交作业，利用MOOc等网络资源，了解数字电路的发展与前沿动态；④线上数据借助后台系统可以方便地统计和分析，有助于教师及时了解学生的学习情况。

（2）线下教学：①教师根据在线教学视频，或自制教学视频的不足之处做适当的补充，对知识点做整体的串联，帮助学生全面系统地掌握所学知识；②分团队交流与合作，与教师互动，解决线上无法解决或无法理解的问题；③实例学习、展示和实际数字电路设计，弥补了在线教学实践环节的不足，提高了学生对知识的实际应用能力。

3.基于翻转课堂的数字电路教学案例分析

数字电路是一门工程性质学科，注重实践，并且知识点繁多，传统的以教师讲授教学为主、实验教学为辅的模式使得学生兴趣低，实际操控能力弱，教学效果不理想。我们以数字电路中的触发器章节为例，详细介绍基于翻转课堂的数字电路教学改革案例，展示如何运用翻转课堂设计课前知识体系、课堂互动教学、课后知识巩固。

3.1课前预习与自习

在课前预习与自习环节中，教师需要对课堂知识进行知识点整理，提取出一系列知识点，以便学生能够自行学习。以数字电路中的触发器章节为例，对该章节知识进行提取分析，将提取出的知识点组建成一颗知识树，如图3所示。

在图3中，将触发器章节中知识按照触发器的触发方式进行划分，分成3个知识点，这些是学习触发器的基础知识点，分别是RS触发器、主从触发器、边沿触发器。①RS触发器。RS触发器是构成其他各种功能触发器的基本组成部分，具有两个不同稳定状态的二进制存储单元，按照工作机制的不同，又可分为基本RS触发器和同步RS触发器。基本RS触发器可以由与非门或者是或非门构成，具有两种稳定状态：1态或O态，在外力的作用下可以置成1态或0态。同步RS触发器在基本RS的基础上引入同步信号，使触发器仅在同步信号到达时按输人信号改变状态。②主从触发器。为提高触发器的可靠性，希望在每一个CP脉冲期间，触发器的状态只翻转一次，为此在同步RS基础上设计了主从结构触发器。主从触发器包括主从RS触发器和主从JK触发器，主从RS触发器由两个同步RS触发器，划分为主触发器和从触发器，从触发器的状态是整个触发器的状态。主从Ⅸ触发器在原触发器电路结构的基础上进行修改，改正原触发器在特定条件下状态的不确定性。③边缘触发器。边缘触发器提高了触发器的可靠性，增强抗干扰能力，使得触发器的次态仅取决于CP上升或下降沿到达时刻输入信号的状态。边缘触发器包括维持阻塞结构边缘触发器和利用传输延迟时间的边缘触发器。

上述知识点是触发器章节中的主要知识点，将上述知识点组成一颗知识树，对于每一个知识点，教师录制10-15分钟视频，讲解知识点要领，帮助学生理解，对于重难点问题，制作PPT文档以帮助学生进一步理解，同时为每一个知识点设置习题，学生在理解的基础上在线演练，加深对知识点的理解；对于难点问题，可以在线进行问题反馈，在线系统对学生的习题进行评分，以便教师了解学生的学习情况。

3.2课堂互动式教学

在课堂互动教学中，针对课堂知识点安排相关教学活动，将课堂互动教学分为重难点知识详解、提问互动、分组讨论互动3个部分。经过上述3个环节，学生将加深对知识点的理解，并且在互动环节中将理论运用于实践中，用于解决实际问题，提高学生的动手能力，同时引导学生对知识点进行扩展学习。

（1）重难点知识详解。在课前预习与自习环节中，学生对于难以理解的问题进行在线反馈，教师对学生反馈的问题进行统计，并设置问题集，将新问题加入到问题集中，以便学生后期复习时查漏补缺，加深对问题的理解；教师按照问题的普遍程度进行划分，对于普遍问题重点分析，帮助学生理解，在该环节中以教师教授为主。

（2）提问互动。在对重难点知识讲解后，需要学生在理解的基础上反馈学习情况，以师生提问互动的形式进行学习情况评定，在此期间，教师依据重难点知识进行提问，学生回答。

（3）分组讨论互动。在上述两个环节的基础上，以案例驱动的方式快速提高学生的动手实践能力。教师依据课堂知识，设计案例，学生自行分组讨论，并将最后讨论结果，以小组形式进行成果展示，最后由教师分析各个讨论组的优缺点。

3.3课后知识点巩固

在上述两个环节中，教师依据课堂知识设计知识学习体系，根据学生学习情况设置课堂教学活动，通过上述两个环节的教学活动，学生基本掌握了课堂知识，具备了理论结合实际的解题思想。在课后，学生需要对掌握的知识点进行巩固学习，同时引导学生进行知识扩展，将课堂知识运用于实际问题中，动手解决实际问题，加深学生对知识点的理解。

4.考核与评价体系

为了合理地评价新教学模式的教学质量与学生的学习效果，我们设计了全面的考核和评价体系。根据课程教学的3个环节和期末测试环节，设计4个方面的过程考核与评价方法。

（1）课前自主学习环节：学生在课前通过观看教学视频学习知识点，在线阅读预习文档完成预习任务。系统将自动统计每个学生的视频观看时长和次数，教师根据学生视频观看的时长和讨论区讨论问题的情况来进行评价。

（2）课堂互动教学环节：教师在讲解完重难点知识后，提出启发性的问题和数字电路的应用实例供团队讨论。教师根据每个团队讨论、回答问题的情况和方案展示的可行性和创新性来点评和打分，团队之间的互评也将作为重要参考依据。

（3）课后巩固拓展环节：这个环节的考核主要依据课后学生在线作业完成的情况。最后由教师根据实际情况调整课前、课中和课后环节评价得分的比重，加权计算得到学生的平时成绩。

最后一项评分采用线下考试的方式，考试成绩和平时成绩加权构成最后的考核成绩。为突出学生自主学习和能力培养的重要性，应适当增加平时成绩所占的比重。考核与评价的各项参考比重见表1。

5.结语

基于翻转课堂的数字电路教学改革，是互联网时代对教学方式的一次革新，翻转课堂教学模式为数字电路的教学提供了一种新的思路。数字电路课程结合翻转课堂教学模式注重学生自主学习能力的提升，以启发式案例教学方式来提升学生的团队合作精神以及自主学习兴趣；通过数字电路的实例训练和师生互动交流的教学方式，让学生巩固所学知识和提高工程实践能力；线上线下资源相结合，可以有效地提高学生的学习兴趣与学习效率，取得良好的教学效果。