知识可视化与项目驱动法在数字电路实验教学中的应用

陈根华++曾春花++葛旭文

摘要：针对数字逻辑电路中基本概念多且抽象及工程实践性强的特点，如何设计教学内容与环节，使学生在有限学时中掌握其实际应用知识，以提高学生的综合实践与工程应用能力，是数字电路实验教学需要解决的重要問题。知识可视化与项目驱动法等先进教学工具与方法已应用于数字电路实验教学，并取得良好的实验教学效果。

关键词：知识可视化；项目驱动法；虚拟仿真；数字电路

【中图分类号】G642.0

基金资助：

[1]南昌工程学院校级教改课题（课题编号：2014JG002）

[2] 2014年江西省大学生创新创业计划专项基金项目

0 引言

数字电路是电子信息类、通信类、自动化类、计算机类等专业的必修课程[1]，是概念性、实践性、工程性都很强的专业基础课。该课程的教学，是以培养学生的专业素质和实践能力为目标，以培养学生的工程应用能力为核心。如何设计教学内容与环节，使学生掌握更多的实际应用知识，以提高学生的综合实践与工程应用能力，各高校都在其教学大纲中设计了重要的实验环节。目前，大部分高校的实验内容主要以验证性实验为主，以综合设计性实验为辅。笔者认为，综合设计性实验选题设计的质量优劣，直接关系到数字电路的实验教学质量的高低，进而影响学生的学习积极性及学习效果。

针对数字电路中基本概念的“多、杂、抽象”及器件类型的“多、繁、广”的特点[1-2]，本文提出利用知识可视化技术与项目驱动教学法开展数字电路课程的理论与实验教学，将多且抽象的理论概念用知识可视化技术展示出来，便于概念的理解与掌握，同时以项目驱动的教学方式调动学生主动学习的积极性，激发学生的创新与实践能力，培养学生的创新意识与协作精神。以上先进教学工具与方法在数字电路实验教学中的应用在南昌工程学院通信工程系已取得良好的教学效果与口碑。

1 知识可视化与项目驱动法

Martin和Burkard于2004年提出的知识可视化（Knowledge Visualization）已成为全球教育工作者的研究热点[3-4]。知识可视化是指利用可视化技术将抽象复杂的知识转化为易于被认知接受的视觉图像，能够减少认知负荷，便于知识的理解、传播和创新。简而言之，知识可视化是为了帮助学生通过自主学习的方式获取知识或者理解知识，将专家的知识结构展现给学生的一种途径，也指所有用来建构和传递复杂见解的图解手段。

项目驱动法是指在教学过程中以项目为基线或核心进行教学内容的展开，把相关的知识点融入到项目中的各个环节中，逐层推进项目[5]。通过对项目问题的深化或功能扩充，进一步拓宽知识的广度与深度，直至得到一个完整的项目解决方案，从而达到学习知识、培养能力的目的。因此，项目驱动法的基本特征为“项目为主线，老师为主导，学生为主体”[6]。显然，项目驱动法可将枯燥的知识转变为生动的技术实现，利于学生理解和掌握所学知识，培养学生的解决问题与创新能力。

2 案例分析

在数字电路实验的综合设计性实验环节，笔者采用知识可视化与项目驱动法进行教学。显然，项目选题才是综合设计实验的关键，而知识可视化仅是工具与手段。项目驱动法的项目任务应尽可能包含多种设计方案，而且要求具有典型性，其目的是既利于每个学生在设计过程中具有多种选择，极大扩展学生的发散思维，激发学生的创造力，又能发挥教师的引导作用，突出学生的主体创造作用。而知识可视化技术只是一种知识表征工具，以期实现抽象的数字电路概念知识的图表化、直观化及可视化，进而便于理解与掌握。

下面以笔者实验教学的具体实例——七分频逻辑电路系统设计，简述知识可视化与项目驱动法在数字电路实验教学中的应用。

七分频逻辑电路系统设计的具体要求为：实现输入时钟脉冲的七分频输出，其中输出占空比任意；时序电路形式为异步或同步；触发器类型为D或JK触发器，组合逻辑器件任意，利用实验室平台进行设计及示波器测试系统输出波形。

1）电路系统建模

众所周知，逻辑系统设计的关键工具就是可视化的状态图[1]，因此本设计也采用状态转换图进行系统的建模。由数字电路原理可知，仅需三位触发器即可实现输入脉冲的七分频，用最高位触发器的输出作为系统输出[1]。本文任意选择两种状态转换过程以说明知识可视化技术在本设计中的应用，如图1所示。

显然，由图1的两个建模方案中的状态转换图可知，方案1的占空比为 ，方案2的占空比为 ，输出为非对称的矩形波，从而以可视化的形式说明了占空比（Duty Cycle）的基本概念。电路系统建模是否合理，可利用Multisim等虚拟仿真软件进行模型验证。

2）电路系统结构设计

学生收到任务后，充分发挥各自的发散性思维，提出了多种电路设计方案，大致概括为以下三类，并选取典型案例加以说明：

明显地，由图2可得，选择不同的触发器类型可实现相同的功能；由图3可看出，D触发器构成异步电路比同步电路要简单的多，而且可靠，但其设计技巧性较强，主要因异步电路设计自由度较大[2]；而由图4可得，不同的电路状态选取，得到的电路结构复杂度与设计成本也完全不同。结合以上的知识可视化技术，综合不同实例可看出，数字电路中的异步与同步、最简与非最简、JK触发器与D触发器等抽象概念都在学生的综合设计性实验的创造性设计过程中熟悉并掌握。

3 结束语

知识可视化与项目驱动法等先进教学工具与方法可在数字电路实验教学过程中取得良好的教学效果。知识可视化将抽象复杂的概念通过易于接收的视觉图表表示出来，便于学生的对知识点的理解与掌握。而项目驱动法将学生的学习模式由被动学习转为主动学习，且改变原来单调的授课方式，极大的释放了学生的学习潜能，激发了学生的创新意识。当然，知识可视化表现方式与项目设计质量的优劣直接影响其在数字电路教学中的应用效果，因此知识可视化表现形式与项目设计需要重点思考与把握。如何更好的发挥知识可视化与项目驱动法的潜在优势，需要不断地完善数字电路相关知识的可视化形式，不断地提高项目设计深度与广度。

参考文献：

[1]阎石.数字电子技术基础（第五版）[M]，北京：高等教育出版社，2006.

[2]刘金锦 等.“数字电子技术基础”课程改革探索与实践[J].工业与信息化教育，2015（3）：24-26.

[3]张霞.知识可视化研究综述[J].软件导刊（教育技术），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]盖颖.项目驱动教学法在现代汉语教学中的应用[J].教育探索，2009（8）：53-54.

[6]冯强，白珍.项目教学法在工业设计专业教学中的实践[J].大学教育，2015（7）：144-145.

作者简介

陈根华，1980.10，男，汉族，江西吉安人，讲师，研究方向为雷达信号与信息处理，南昌工程学院信息工程学院。