計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用信息化教學(xué)設(shè)計(jì)

范　越， 潘紅兵， 馬知遠(yuǎn)

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 434400)

0　引言

本文主要以“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程中的一節(jié)課(計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用)為例，介紹信息化教學(xué)設(shè)計(jì)的一個(gè)案例，該教學(xué)設(shè)計(jì)獲得了全國職業(yè)院校信息化大賽教學(xué)設(shè)計(jì)軍事組三等獎(jiǎng)。主要從以下4個(gè)方面介紹這一教學(xué)設(shè)計(jì)。

1　教學(xué)基本情況

計(jì)數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛的一種邏輯部件，在軍事裝備中也應(yīng)用廣泛，其功能是對輸入時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)以實(shí)現(xiàn)數(shù)字測量、運(yùn)算和控制。在“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程中，計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用是作為數(shù)字部分的重點(diǎn)內(nèi)容來講授的。

1.1　課程基本情況

我校的“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程是面向所有的合訓(xùn)專業(yè)以及部分非合訓(xùn)專業(yè)學(xué)員開設(shè)的課程。在合訓(xùn)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中，“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程銜接了公共基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課兩大部份，是學(xué)員從理論思維模式轉(zhuǎn)向工程思維模式的重要轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，該課程具有承上啟下的關(guān)鍵作用。學(xué)員在學(xué)習(xí)了“高等數(shù)學(xué)”、“大學(xué)物理”、“電路分析”等課程后學(xué)習(xí)本門課程，也為后續(xù)專業(yè)核心課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)[1]。“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程基本情況的示意圖如圖1所示。

1.2　教學(xué)目標(biāo)

“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)目標(biāo)主要有三項(xiàng)：知識與技能目標(biāo)、過程與方法目標(biāo)以及情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)，對應(yīng)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用這節(jié)課授課內(nèi)容的三方面教學(xué)目標(biāo)具體表述如下：

圖1　課程基本情況介紹框圖

1)知識與技能目標(biāo)

理解計(jì)數(shù)器的基本概念和基本分析方法；掌握計(jì)數(shù)器的工作原理、結(jié)構(gòu)和用途；熟悉掌握常用計(jì)數(shù)器的特性、應(yīng)用范圍；能閱讀和分析一般程度的計(jì)數(shù)器電路原理圖；具有借助數(shù)據(jù)手冊等工具書查閱數(shù)字集成電路的有關(guān)數(shù)據(jù)、邏輯功能和使用方法的能力；具備運(yùn)用典型的中小規(guī)模集成電路組成某些簡單應(yīng)用電路的能力；具備對計(jì)數(shù)器進(jìn)行初步分析和設(shè)計(jì)能力。

2)過程與方法目標(biāo)

充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，使學(xué)員通過課堂講解、觀看演示、課后理解體會、參與實(shí)驗(yàn)等過程，切實(shí)掌握知識點(diǎn)。

3)情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)

結(jié)合課程教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)員的辯證唯物主義觀點(diǎn)，實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，分析問題和解決問題的能力。啟發(fā)學(xué)員對先進(jìn)科技的向往，激發(fā)創(chuàng)新意識，推動對新知識的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)自學(xué)能力，鍛煉動手實(shí)踐的本領(lǐng)。

在此三項(xiàng)教學(xué)目標(biāo)基礎(chǔ)上，結(jié)合這一節(jié)教學(xué)內(nèi)容，確定此部分的教學(xué)重點(diǎn)為①計(jì)數(shù)器的工作原理； ②計(jì)數(shù)器的分析、設(shè)計(jì)方法；

這一節(jié)教學(xué)難點(diǎn)為任意模值計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)[2]。

2　教學(xué)設(shè)計(jì)思路

計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用這節(jié)課教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)是實(shí)用性強(qiáng)，且分析過程和設(shè)計(jì)方法抽象、靈活。傳統(tǒng)的授課方式就是采用教員單方面 “滿堂灌”的講授，學(xué)員處于一種被動式學(xué)習(xí)狀態(tài)，這大大降低了學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，無法針對不同學(xué)員掌握知識的能力和方式不同，讓他們能掌握每一種任意模值計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方法及驗(yàn)證其正確性。

本教學(xué)設(shè)計(jì)摒棄了傳統(tǒng)的授課方式，整個(gè)思路是根據(jù)美國著名教育學(xué)家布魯姆的“教育目標(biāo)分類學(xué)”中認(rèn)知領(lǐng)域由低到高的六個(gè)教育目標(biāo)層次展開的：記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價(jià)和創(chuàng)造，使學(xué)員能夠在有限的課堂時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的教學(xué)層次目標(biāo)。首先，課前通過網(wǎng)絡(luò)課程、微課堂等資源使學(xué)員達(dá)到基本 “記憶”的基本教學(xué)目標(biāo)；而后，課上利用現(xiàn)代化視頻動畫、實(shí)例等達(dá)到“理解”的教學(xué)目標(biāo)；根據(jù)任務(wù)，設(shè)計(jì)電路、仿真驗(yàn)證和實(shí)際搭建，使學(xué)員達(dá)到應(yīng)用、分析教學(xué)目標(biāo)層次；通過方案對比、學(xué)習(xí)總結(jié)使學(xué)員達(dá)到“評價(jià)”教學(xué)目標(biāo)；最后課下，通過互助平臺發(fā)布開放性試驗(yàn)任務(wù)，從而達(dá)到“創(chuàng)造”的最高教學(xué)目標(biāo)。整個(gè)設(shè)計(jì)思路示于圖2。

圖2　結(jié)合“教育目標(biāo)分類學(xué)”確定設(shè)計(jì)思路

整個(gè)施訓(xùn)過程中，采用多種信息化手段展開教學(xué)：①信息化互助教學(xué)平臺實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)；②視頻動畫、微課堂等多種信息技術(shù)綜合運(yùn)用；③仿真學(xué)習(xí)軟件展現(xiàn)電路設(shè)計(jì)思路；④多元化評價(jià)結(jié)果更具針對性。

教學(xué)設(shè)計(jì)提倡知識綜合應(yīng)用，達(dá)到二次創(chuàng)新，使教學(xué)發(fā)揮最大效能[3]。同時(shí)吸收“翻轉(zhuǎn)課堂”優(yōu)點(diǎn)，提出“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)模式，建立了創(chuàng)設(shè)情境、教師引導(dǎo)、主動探究、協(xié)作互助、多元化評價(jià)反饋的多維度學(xué)習(xí)環(huán)境。如圖3所示。

3　教學(xué)組織實(shí)施

采用信息化手段，將傳統(tǒng)課堂教學(xué)延展為課前預(yù)習(xí)、課上教學(xué)做、課后總結(jié)強(qiáng)化三個(gè)階段。具體分成課前準(zhǔn)備、情境引入、任務(wù)分析、課上學(xué)做、任務(wù)評價(jià)、學(xué)習(xí)總結(jié)6個(gè)步驟組織實(shí)施，如圖4所示。整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)員是主體，教員起監(jiān)督引導(dǎo)作用。

圖3　多維度學(xué)習(xí)環(huán)境示意圖

圖4　信息化手段課堂組織實(shí)施步驟

3.1　課前預(yù)習(xí)階段

第一階段是課前預(yù)習(xí)。上課前，學(xué)員在互助平臺的“個(gè)人中心”接收學(xué)習(xí)提示，在“資源中心”觀看網(wǎng)絡(luò)課程、微課堂等多種教學(xué)資源，并根據(jù)教學(xué)互助平臺上教員發(fā)布的新課程內(nèi)容的教學(xué)要求進(jìn)自主學(xué)習(xí)，并相應(yīng)完成預(yù)測題目。

3.2　課上教、學(xué)、做階段

第二階段是課上教、學(xué)、做。根據(jù)認(rèn)知規(guī)律，將本單元2學(xué)時(shí)劃分為情境引入、任務(wù)分析、任務(wù)實(shí)施、任務(wù)評價(jià)和學(xué)習(xí)總結(jié)五大教學(xué)環(huán)節(jié)，不同的教學(xué)環(huán)節(jié)采用對應(yīng)的信息化教學(xué)資源和教學(xué)方法。課堂組織實(shí)施示意圖如圖5所示。

圖5　第二階段教學(xué)組織實(shí)施示意圖

首先，利用播放視頻動畫，直觀展示計(jì)數(shù)器在艦炮彈藥自動裝填系統(tǒng)內(nèi)部彈藥數(shù)量計(jì)數(shù)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，將學(xué)員帶入學(xué)習(xí)情境中，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣。

其次，教員帶領(lǐng)學(xué)員以先易后難、先分立后集成的方法，分別分析一種分立元件構(gòu)成的小規(guī)模加法計(jì)數(shù)電路和一種典型的中規(guī)模集成計(jì)數(shù)電路。

對于前者引導(dǎo)學(xué)員利用前面學(xué)過的時(shí)序電路的分析方法，根據(jù)基本JK觸發(fā)器的邏輯功能和電路結(jié)構(gòu)畫出功能表和工作波形，使學(xué)員自主得出此異步3位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)。進(jìn)一步拓展講解計(jì)數(shù)器不僅能記憶輸入脈沖數(shù)目，而且還具有分頻的功能。

對于后者，課上可以最常用的4位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74Lsl61為例，通過互助平臺搜尋對應(yīng)數(shù)據(jù)手冊了解器件功能特點(diǎn)，學(xué)會通過集成計(jì)數(shù)器復(fù)位端和置數(shù)端組成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)思路和方法。而后教員布置課堂任務(wù)，將任務(wù)按難度由淺至深分為：

(1)獨(dú)立完成用集成器件設(shè)計(jì)一個(gè)模6或模10計(jì)數(shù)器(基本)；

(2)通過組間協(xié)作設(shè)計(jì)完成一個(gè)模60計(jì)數(shù)器(提高)。

此后，學(xué)員根據(jù)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)思路和方法自行選擇任務(wù)。根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)好電路后，利用仿真軟件，通過仿真結(jié)果初步檢驗(yàn)設(shè)計(jì)電路的正確性。在仿真結(jié)果正確的前提條件下，學(xué)員可進(jìn)一步通過實(shí)物實(shí)驗(yàn)，掌握實(shí)際電路連接和芯片使用，觀察真實(shí)結(jié)果。對于高層次的任務(wù)，則要求通過組間協(xié)作完成。例如單人通過單個(gè)芯片構(gòu)成了六進(jìn)制和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，便可通過組間協(xié)作級聯(lián)構(gòu)成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。在這個(gè)過程中既鍛煉了學(xué)員個(gè)人的電路設(shè)計(jì)能力，又提高了小組間協(xié)作能力，同時(shí)縮短了整個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)長。

任務(wù)實(shí)施后，及時(shí)對任務(wù)進(jìn)行評價(jià)和反饋。在針對課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)效果檢驗(yàn)上，借鑒美國心理學(xué)家霍德華加德納的多元智能理論評價(jià)機(jī)制，從多維度評價(jià)學(xué)員學(xué)習(xí)效果。課上部分，通過小組匯報(bào)和現(xiàn)場作品展示形式，給予本次課程內(nèi)容的現(xiàn)場點(diǎn)評及強(qiáng)化。成果匯報(bào)展示是以小組為代表匯報(bào)設(shè)計(jì)思路，同時(shí)展示設(shè)計(jì)成果，教員現(xiàn)場給出總結(jié)性評語。在線測試，本單元學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)員通過“互助平臺”上傳課堂設(shè)計(jì)完成的單級和級聯(lián)計(jì)數(shù)器的仿真電路圖及設(shè)計(jì)報(bào)告，教員線下進(jìn)行評價(jià)，并上傳評價(jià)結(jié)果。借助學(xué)校創(chuàng)新平臺，展開開放性實(shí)驗(yàn)任務(wù)成果，通過作品點(diǎn)評給予全方位評價(jià)。

3.3　學(xué)習(xí)內(nèi)容總結(jié)和有效內(nèi)化階段

第三階段是學(xué)習(xí)結(jié)束后，及時(shí)對學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)和有效內(nèi)化。在學(xué)員進(jìn)行自主學(xué)習(xí)總結(jié)過程中，教學(xué)平臺提供線下資源：例如同一模值計(jì)數(shù)器的多種解決方案以及實(shí)際工程應(yīng)用中常用的計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)手冊、拓展視頻和實(shí)物制作視頻，以幫助學(xué)員加深對知識點(diǎn)的理解掌握。評價(jià)中心綜合評價(jià)每一個(gè)學(xué)員的學(xué)習(xí)掌握情況，最終以柱形圖和評價(jià)報(bào)告形式給出[4]。

4　結(jié)語

本文以計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用為例，充分利用信息化資源引導(dǎo)完成任務(wù)。在以下幾個(gè)方面起到很好的促進(jìn)作用：

(1)激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣；

(2)促進(jìn)學(xué)員自主學(xué)習(xí)；

(3)培養(yǎng)學(xué)員綜合能力；

(4)提高教學(xué)效果。

此信息化教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在：

(1)拓展傳統(tǒng)課堂教學(xué)，優(yōu)化教學(xué)過程。做到課前預(yù)習(xí)有任務(wù)，課中實(shí)施有任務(wù)，課后強(qiáng)化有提高。

(2)整合數(shù)字化資源，綜合應(yīng)用各種信息化手段，貫穿課內(nèi)外教學(xué)全過程。

(3)利用信息技術(shù)解決重難點(diǎn)。視頻、動畫、仿真、實(shí)操等全方位信息化，突破教學(xué)瓶頸。

(4)多維度實(shí)施評價(jià)，輔助優(yōu)化教學(xué)過程，實(shí)現(xiàn)實(shí)施個(gè)性化教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李小珉 潘強(qiáng)主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013年2月.

[2]康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)[M].北京：高等教育出版社，2014年1月.

[3]Jing Cong, Wenfang Cao. Analysis on the Effectiveness of the Information-based Teaching in Higher Vocational Colleges [J]. Paris, France: IBM 2015-12.

[4]許哲 王雪梅.軍隊(duì)院校專業(yè)課信息化教學(xué)淺探[J].香港：ESE 2013-4.