基于Kt-map 模式的多维度数字电子技术课程教学改革探讨

李院平 王子群 梁兰菊

摘要：文章提出一种基于Knoledge tree思维导图（Kt-map） 模式的多维度数字电子技术课程教学改革方法，旨在增强学生对课程的认知程度，提高学生的主观能动性及实践动手能力。论文首先引入Kt-map，介绍Kt-map的基本构成；然后应用Kt-map，帮助学生先从宏观角度建立课程的知识体系及知识点间的关系，进而实现以学生为主体，教师为主导的教学模式；利用课程“实践性”强的特点，以项目案例驱动，借助仿真软件实现授课内容可视化；为了有效督促学生对课程知识体系的主动建构，更新细化了课程评价机制。

关键词：“Kt-map”；内容可视化；课程评价

中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2023）29-0145-04

0 引言

数字电子技术课程作为电信、光电、通信、计算机等专业的一门专业基础课程，具有实践性强，内容繁多细致，易学难用的特点。在传统教学模式上，该课程在授课中主要存在以下弊端：1） 教学活动的时空限制；2） 学生知识架构的被动型建立；3） 实验手段单一；4） 考核的片面性[1-3]。随着大学教改的不断深入，为响应笔者所在单位以建设“国内一流应用型”大学的目标号召，我们增加了实践性内容的课时，同时适当压缩了理论课的课时。为了在有限的学时中，帮助学生掌握大量的内容，同时解决传统教学的弊端，在本文中探讨基于Knoledge tree 思维导图（Kt-map） 模式的“以学生为主体，教师为主导”“项目案例驱动，授课内容可视化”“加强过程考核”多维度数字电子技术课程教学模式，旨在增强学生对课程的认知程度，提高学生的主观能动性及实践动手能力。

1“ 知识树”思维导图（Kt-map） 的建立

思维导图源自英国智力开发专家Tony Buzan在1974年出版的Use Your Head《（ 启动大脑》） 一书。其特点是发散性、高效性及开放性，利用思维导图可以改善人类的记忆与发散思维[4，5]。但是已有的思维导图采用二维型结构表达的通常是知识之间的层级性或并列式关系，而对于学校的各门专业课程而言，各知识之间往往存有互相渗透的作用，因此，在这里推出一种类“知识树”型、具有三维逻辑关系的新型思维导图——Kt-map。把数字电子技术课程当作一棵大树，那么电子器件的发展是其滋生的土壤，布尔代数及数值与码制是其成长的阳光雨露，逻辑门是它坚实有力的躯干，组合逻辑代数和时序逻辑代数等则是它的枝丫，各种集成电路等芯片则是枝丫上的叶子，其组成脉络图如下：

在“知识树”思维导图中，关键要素有：土壤，树的躯干，树成长的阳光雨露，树的枝丫及在枝丫上衍生的叶子。

通过此图，可以清晰地看懂该门课的逻辑结构及知识点之间的渗透关系，对于学生建立课程知识体系有比较大的帮助。

2 基于Kt-map 模式的多维度數字电子技术课程教学模式

2.1 应用Kt-map，实现以学生为主体，教师为主导的教学模式[6-8]

教学的主体在“学生”。如果课程从一开始能有效激起学生的主观能动性，那课程就先成功了一半。所以，教师对课程的“导”、对学生的“导”是使平静湖面激起涟漪的关键。

1） 课前准备，“导”为主：根据课程教学目标、教学内容、学生实际情况， 编制设计出每堂课的程序结构、实施方案，即常称的教案。教师要在上课前对整门课有个大概的构思，做到胸有成竹。教师教学方法的运用、教学思路的设计、 知识技能的掌握以及对教材的理解能力、驾驭能力都能在教案中得到体现。

以脉冲波形的产生与整形为例，授课流程图如图2：

在课前导入部分，可以先给学生展示本次课（本章）内容的Kt-map，如图3所示：

从图3可知，555定时器是大树的躯干，而滋生大树的土壤则是电阻、模拟电路（电压比较器，场效应管，三极管）、数字电路（RS触发器）等基本元件（统称电子器件），大树的枝丫则是施密特触发器、单稳态触发器及多谐振荡器，各种应用则可看为枝丫上的叶片，对各器件进行分析所需要的知识则为此树成长的阳光雨露。 在Kt-map图的基础上，再来按所设计好的流程图授课，就可以达到事半功倍的效果。

2） 教学过程，“导”为线，“学”为面：在教学过程中要注意引导学生掌握正确的学习方法。教师的教法服务于学生的学法，教师的“教”要符合学生“学”的规律，主导作用要为促进学生的主体作用服务。例如在做“序列信号发生器设计”时，我们可以用多种方法来实现。为了促进学生的主观能动性，我们的实验安排流程如下：

在整个实验流程中，分析设计方案的可行性体现了教师的“导”，实验过程的设计则体现了学生的“主”。而实际上，教师的“导”从安排实验之初直到实验的结束，贯穿于整个环节。这样流程的设计，使实验时间的 90%交付给学生主体，使学生主体作用得以充分体现。当然，在安排实验之初，教师需要对实验设计的设计方案尽可能充分了解，并准备好所有可能用到的元器件。

在实际实验设计中，学生结合课上所学知识，完成的设计方案主要有：1） 利用74LS194移位寄存器实现。2） 利用D触发器实现。3） 利用计数器和逻辑门实现。4） 利用计数器和数据选择器实现。

其中，在用D触发器实现序列信号时，首先选择适当数目的D触发器，首尾连接，采用移位的功能，设计所需填充位的实现电路，然后从某一输出端提取序列信号，所以，从本质上来讲和采用74LS194的效果类似，但缺点是所需模块较多，优点则是灵活。利用计数器实现，无疑是更为简单、便捷，也更利于理解。所以在实验过程中，采用计数器者为多数。

基于Kt-map，实现以学生为主体，教师为主导的教学模式，先从视觉上帮助学生输入课程的知识组成体系，然后在教师的主导下，实现了学生学习的主观性，并拓展了学习的空间。

2.2 项目案例驱动，借助仿真软件实现授课内容可视化[9-10]

数字电子技术课程的一个鲜明特点就是“实践性强”。因此，调动学生积极性和主观能动性的最佳方法就是“项目案例驱动”。在组合逻辑电路讲解时，引入“病房呼叫系统”案例，结合学生对医院呼叫系统的认知，建立其大致模型：

然后，让学生分析，如何编码？可选择什么器件？如何解码？用什么器件？ 如何显示？如果病房人多，输入信号增多，又该如何？学生带着问题，从课内/ 课外找答案，当有了想法后，可以去实验室实践，也可以在家通过 Multisim 软件仿真模拟。学生的问题可以通过微信群/QQ（主要），超星线上平台等及时发送给老师进行解答，同时生生之间也可进行互评。

图6为学生搭建的病房呼叫系统仿真电路。电路中使用8-4线优先级编码器、非门、74LS283加法器、74LS48N七段显示译码器和7段显示数码管实现了病人按键号码的显示功能；同时采用555定时器构成多谐振荡电路，实现了周期为1.05ms的方波输出，并通过三极管驱动扬声器发声提示。整个电路实现了组合逻辑电路各集成器件的有效融合，对于学生的实践动手能力的提升起到了非常好的帮助。

对于病房人数较多时的问题，学生自然联想到使用多片74LS148进行扩展。在课堂中，首先分析了扩展的基本方法，并以2片74LS148为例，建立了扩展电路，那么3片扩展的效果如何？借助Multisim，演示仿真结果如图7所示。

从图7中可见，当I23、I15和I7同时输入有效时， 输出编码为10111，即十进制数23（图7（a）），当I15和I7 同时输入有效时，编码输出为01111，即十进制数15 （图7（b））， 当只有I7输入有效时，编码输出为00111，即十进制数7（图7（c）），这表明，左边74LS148芯片优先级最高，而右边的优先级最低。通过引入Multisim仿真演示，使授课内容得以直观显示，一方面验证了学生的设想和理论分析，另一方面又加强了对此内容的深入理解。

因此，采用项目案例驱动，借助仿真软件实现授课内容可视化，一方面进一步增强了学生的主观能动性，并且引入了新的实验思路和方案，使实验手段多样化，打破了传统授课环境的局限。

2.3 评价模式的改变

加强过程性考核，充分调动每位同学的主观能动性，督促学生建立课程知识 架构体系。知识体系的建构历经3 个过程：第1个是同化，即新知识与旧知识产生链接的过程；第2个是顺应，即新旧知识的融合形成了新的知识体系；第3个为平衡，知识体系由原来的平衡，到新知识出现产生不平衡，最后经同化顺应形成新的平衡[11]。要顺利让学生完成课程知识体系的建构，必要的督促和激励是不可少的。为此，改变以往的课程评价体系，加强过程性考核：1） 课堂的主动性表现。在每一次授课过程中，安排互动性问题，促使学生积极应答。每次主动回答且正确者+2分，主动回答但不正确者酌情+1分或不加分；被动回答且正确者+1分，被动回答但错误者不加分。2） 增设课外完成的项目实践性内容。比如前面所说的病房呼叫系统模型的搭建，有效完成者可以直接给10分过程考核分。3） 增加实验过程考核，体现为：动手能力的查验—第一名完成实验的小组给予本次实验最高分10分，剩余名次的小组则酌情递减；每一个小组中的同学则按贡献度自行协商分配该小组获得的分数。同时，在对实验结果验收时，增加随机考核（小答辩）环节，完成实验并正确作答的小组方可顺利获得相应的分值，否则，按正确作答结果顺序相应后移。因此，从实验项目开始，一直到项目的结束，学生在脑子里时刻思考项目实行的理论依据，无形中完成了知识的同化-顺应-平衡三个阶段，完成了知识体系的构建。

该课程平时成绩分值构成：回答问题得分（20%） + 课外项目（20%） +实验考核（30%） +出勤（10%） +作业（20%） 。

回答问题得分、课外项目得分计算：班级回答问题得分或课外项目得分最高者为满分20分，其他同学按其得分/最高得分×20分计算。

实验考核得分计算：假设有m 个实验，每一个同学每一项实验得分为r分，则其实验得分为mr，设实验得分最高者分值为n，则该生实验考核得分为0.3×mr/n。

出勤分值计算：设全勤次数为x，置全勤为100分，若某生请假一次减1，无故缺勤一次减2，若该生共请假a次，无故缺勤b次，则该生出勤得分为：0.1×（x-a× 1-b×2）/x。

作业分值计算：不缺项完成作业，并红笔标注批改者一次作业为满分100；缺项或未修改者，按每次作业比例分值扣分即可。作业得分计算式为：0.2×该生作业得分/作业最高分。

图8为近3年同一专业学生在同等难度下，学生的课程考核情况统计。从表中可见，采用新的课程评价模式之后，学生的及格率有很大幅度的提升，说明学生的学习主观能动性因评价模式的变化有很大的增强，但优秀率提升幅度不明显。

3 总结

“Kt-map”有效实现了课程的系统化，使学生初步建立课程的知识构成体系；随后，通过引入多维度教学模式，提升学生的主观能动性，化被动为主动建立课程知识架构体系；案例驱动，引入仿真手段，使教学内容可视化，同时解决了实验手段单一的问题，并扩宽了学生的教学和学习活动空间；更新细化课程评价模式，使学生的每一步成长都有迹可循，增强了学生自信心，且使考核更加全面。

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28-31. 【通联编辑：唐一东】