知識(shí)可視化與項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

陳根華++曾春花++葛旭文

摘要：針對(duì)數(shù)字邏輯電路中基本概念多且抽象及工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，如何設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容與環(huán)節(jié)，使學(xué)生在有限學(xué)時(shí)中掌握其實(shí)際應(yīng)用知識(shí)，以提高學(xué)生的綜合實(shí)踐與工程應(yīng)用能力，是數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要解決的重要問題。知識(shí)可視化與項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法等先進(jìn)教學(xué)工具與方法已應(yīng)用于數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并取得良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：知識(shí)可視化；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法；虛擬仿真；數(shù)字電路

【中圖分類號(hào)】G642.0

基金資助：

[1]南昌工程學(xué)院校級(jí)教改課題（課題編號(hào)：2014JG002）

[2] 2014年江西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃專項(xiàng)基金項(xiàng)目

0 引言

數(shù)字電路是電子信息類、通信類、自動(dòng)化類、計(jì)算機(jī)類等專業(yè)的必修課程[1]，是概念性、實(shí)踐性、工程性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程的教學(xué)，是以培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和實(shí)踐能力為目標(biāo)，以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力為核心。如何設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容與環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握更多的實(shí)際應(yīng)用知識(shí)，以提高學(xué)生的綜合實(shí)踐與工程應(yīng)用能力，各高校都在其教學(xué)大綱中設(shè)計(jì)了重要的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。目前，大部分高校的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，以綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為輔。筆者認(rèn)為，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)選題設(shè)計(jì)的質(zhì)量優(yōu)劣，直接關(guān)系到數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的高低，進(jìn)而影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及學(xué)習(xí)效果。

針對(duì)數(shù)字電路中基本概念的“多、雜、抽象”及器件類型的“多、繁、廣”的特點(diǎn)[1-2]，本文提出利用知識(shí)可視化技術(shù)與項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法開展數(shù)字電路課程的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將多且抽象的理論概念用知識(shí)可視化技術(shù)展示出來，便于概念的理解與掌握，同時(shí)以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與協(xié)作精神。以上先進(jìn)教學(xué)工具與方法在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用在南昌工程學(xué)院通信工程系已取得良好的教學(xué)效果與口碑。

1 知識(shí)可視化與項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法

Martin和Burkard于2004年提出的知識(shí)可視化（Knowledge Visualization）已成為全球教育工作者的研究熱點(diǎn)[3-4]。知識(shí)可視化是指利用可視化技術(shù)將抽象復(fù)雜的知識(shí)轉(zhuǎn)化為易于被認(rèn)知接受的視覺圖像，能夠減少認(rèn)知負(fù)荷，便于知識(shí)的理解、傳播和創(chuàng)新。簡而言之，知識(shí)可視化是為了幫助學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)的方式獲取知識(shí)或者理解知識(shí)，將專家的知識(shí)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)給學(xué)生的一種途徑，也指所有用來建構(gòu)和傳遞復(fù)雜見解的圖解手段。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法是指在教學(xué)過程中以項(xiàng)目為基線或核心進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的展開，把相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)融入到項(xiàng)目中的各個(gè)環(huán)節(jié)中，逐層推進(jìn)項(xiàng)目[5]。通過對(duì)項(xiàng)目問題的深化或功能擴(kuò)充，進(jìn)一步拓寬知識(shí)的廣度與深度，直至得到一個(gè)完整的項(xiàng)目解決方案，從而達(dá)到學(xué)習(xí)知識(shí)、培養(yǎng)能力的目的。因此，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法的基本特征為“項(xiàng)目為主線，老師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”[6]。顯然，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法可將枯燥的知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦?dòng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，利于學(xué)生理解和掌握所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的解決問題與創(chuàng)新能力。

2 案例分析

在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，筆者采用知識(shí)可視化與項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行教學(xué)。顯然，項(xiàng)目選題才是綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，而知識(shí)可視化僅是工具與手段。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法的項(xiàng)目任務(wù)應(yīng)盡可能包含多種設(shè)計(jì)方案，而且要求具有典型性，其目的是既利于每個(gè)學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中具有多種選擇，極大擴(kuò)展學(xué)生的發(fā)散思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，又能發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用，突出學(xué)生的主體創(chuàng)造作用。而知識(shí)可視化技術(shù)只是一種知識(shí)表征工具，以期實(shí)現(xiàn)抽象的數(shù)字電路概念知識(shí)的圖表化、直觀化及可視化，進(jìn)而便于理解與掌握。

下面以筆者實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體實(shí)例——七分頻邏輯電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，簡述知識(shí)可視化與項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

七分頻邏輯電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體要求為：實(shí)現(xiàn)輸入時(shí)鐘脈沖的七分頻輸出，其中輸出占空比任意；時(shí)序電路形式為異步或同步；觸發(fā)器類型為D或JK觸發(fā)器，組合邏輯器件任意，利用實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)及示波器測試系統(tǒng)輸出波形。

1）電路系統(tǒng)建模

眾所周知，邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工具就是可視化的狀態(tài)圖[1]，因此本設(shè)計(jì)也采用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖進(jìn)行系統(tǒng)的建模。由數(shù)字電路原理可知，僅需三位觸發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)輸入脈沖的七分頻，用最高位觸發(fā)器的輸出作為系統(tǒng)輸出[1]。本文任意選擇兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程以說明知識(shí)可視化技術(shù)在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，如圖1所示。

顯然，由圖1的兩個(gè)建模方案中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可知，方案1的占空比為 ，方案2的占空比為 ，輸出為非對(duì)稱的矩形波，從而以可視化的形式說明了占空比（Duty Cycle）的基本概念。電路系統(tǒng)建模是否合理，可利用Multisim等虛擬仿真軟件進(jìn)行模型驗(yàn)證。

2）電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

學(xué)生收到任務(wù)后，充分發(fā)揮各自的發(fā)散性思維，提出了多種電路設(shè)計(jì)方案，大致概括為以下三類，并選取典型案例加以說明：

明顯地，由圖2可得，選擇不同的觸發(fā)器類型可實(shí)現(xiàn)相同的功能；由圖3可看出，D觸發(fā)器構(gòu)成異步電路比同步電路要簡單的多，而且可靠，但其設(shè)計(jì)技巧性較強(qiáng)，主要因異步電路設(shè)計(jì)自由度較大[2]；而由圖4可得，不同的電路狀態(tài)選取，得到的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與設(shè)計(jì)成本也完全不同。結(jié)合以上的知識(shí)可視化技術(shù)，綜合不同實(shí)例可看出，數(shù)字電路中的異步與同步、最簡與非最簡、JK觸發(fā)器與D觸發(fā)器等抽象概念都在學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)過程中熟悉并掌握。

3 結(jié)束語

知識(shí)可視化與項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法等先進(jìn)教學(xué)工具與方法可在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中取得良好的教學(xué)效果。知識(shí)可視化將抽象復(fù)雜的概念通過易于接收的視覺圖表表示出來，便于學(xué)生的對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握。而項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法將學(xué)生的學(xué)習(xí)模式由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，且改變原來單調(diào)的授課方式，極大的釋放了學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。當(dāng)然，知識(shí)可視化表現(xiàn)方式與項(xiàng)目設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響其在數(shù)字電路教學(xué)中的應(yīng)用效果，因此知識(shí)可視化表現(xiàn)形式與項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)思考與把握。如何更好的發(fā)揮知識(shí)可視化與項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法的潛在優(yōu)勢，需要不斷地完善數(shù)字電路相關(guān)知識(shí)的可視化形式，不斷地提高項(xiàng)目設(shè)計(jì)深度與廣度。

參考文獻(xiàn)：

[1]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）[M]，北京：高等教育出版社，2006.

[2]劉金錦 等.“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程改革探索與實(shí)踐[J].工業(yè)與信息化教育，2015（3）：24-26.

[3]張霞.知識(shí)可視化研究綜述[J].軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)），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]蓋穎.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在現(xiàn)代漢語教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育探索，2009（8）：53-54.

[6]馮強(qiáng)，白珍.項(xiàng)目教學(xué)法在工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)中的實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2015（7）：144-145.

作者簡介

陳根華，1980.10，男，漢族，江西吉安人，講師，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)與信息處理，南昌工程學(xué)院信息工程學(xué)院。