计数器的设计与应用信息化教学设计

范　越， 潘红兵， 马知远

(海军工程大学 电子工程学院， 湖北 武汉 434400)

0　引言

本文主要以“电子技术基础”课程中的一节课(计数器的设计与应用)为例，介绍信息化教学设计的一个案例，该教学设计获得了全国职业院校信息化大赛教学设计军事组三等奖。主要从以下4个方面介绍这一教学设计。

1　教学基本情况

计数器是数字系统中应用十分广泛的一种逻辑部件，在军事装备中也应用广泛，其功能是对输入时钟脉冲个数进行计数以实现数字测量、运算和控制。在“电子技术基础”课程中，计数器的设计和应用是作为数字部分的重点内容来讲授的。

1.1　课程基本情况

我校的“电子技术基础”课程是面向所有的合训专业以及部分非合训专业学员开设的课程。在合训专业人才培养方案中，“电子技术基础”课程衔接了公共基础课和专业基础课两大部份，是学员从理论思维模式转向工程思维模式的重要转换节点，该课程具有承上启下的关键作用。学员在学习了“高等数学”、“大学物理”、“电路分析”等课程后学习本门课程，也为后续专业核心课程学习打下基础[1]。“电子技术基础”课程基本情况的示意图如图1所示。

1.2　教学目标

“电子技术基础”课程教学目标主要有三项：知识与技能目标、过程与方法目标以及情感态度与价值观目标，对应计数器的设计与应用这节课授课内容的三方面教学目标具体表述如下：

图1　课程基本情况介绍框图

1)知识与技能目标

理解计数器的基本概念和基本分析方法；掌握计数器的工作原理、结构和用途；熟悉掌握常用计数器的特性、应用范围；能阅读和分析一般程度的计数器电路原理图；具有借助数据手册等工具书查阅数字集成电路的有关数据、逻辑功能和使用方法的能力；具备运用典型的中小规模集成电路组成某些简单应用电路的能力；具备对计数器进行初步分析和设计能力。

2)过程与方法目标

充分利用现代化教学手段，使学员通过课堂讲解、观看演示、课后理解体会、参与实验等过程，切实掌握知识点。

3)情感态度与价值观目标

结合课程教学，培养学员的辩证唯物主义观点，实事求是的科学态度，分析问题和解决问题的能力。启发学员对先进科技的向往，激发创新意识，推动对新知识的学习，培养自学能力，锻炼动手实践的本领。

在此三项教学目标基础上，结合这一节教学内容，确定此部分的教学重点为①计数器的工作原理； ②计数器的分析、设计方法；

这一节教学难点为任意模值计数器的设计[2]。

2　教学设计思路

计数器的设计与应用这节课教学内容特点是实用性强，且分析过程和设计方法抽象、灵活。传统的授课方式就是采用教员单方面 “满堂灌”的讲授，学员处于一种被动式学习状态，这大大降低了学员学习兴趣，无法针对不同学员掌握知识的能力和方式不同，让他们能掌握每一种任意模值计数器的设计方法及验证其正确性。

本教学设计摒弃了传统的授课方式，整个思路是根据美国著名教育学家布鲁姆的“教育目标分类学”中认知领域由低到高的六个教育目标层次展开的：记忆、理解、应用、分析、评价和创造，使学员能够在有限的课堂时间内达到较高的教学层次目标。首先，课前通过网络课程、微课堂等资源使学员达到基本 “记忆”的基本教学目标；而后，课上利用现代化视频动画、实例等达到“理解”的教学目标；根据任务，设计电路、仿真验证和实际搭建，使学员达到应用、分析教学目标层次；通过方案对比、学习总结使学员达到“评价”教学目标；最后课下，通过互助平台发布开放性试验任务，从而达到“创造”的最高教学目标。整个设计思路示于图2。

图2　结合“教育目标分类学”确定设计思路

整个施训过程中，采用多种信息化手段展开教学：①信息化互助教学平台实现自主学习；②视频动画、微课堂等多种信息技术综合运用；③仿真学习软件展现电路设计思路；④多元化评价结果更具针对性。

教学设计提倡知识综合应用，达到二次创新，使教学发挥最大效能[3]。同时吸收“翻转课堂”优点，提出“教、学、做”一体化教学模式，建立了创设情境、教师引导、主动探究、协作互助、多元化评价反馈的多维度学习环境。如图3所示。

3　教学组织实施

采用信息化手段，将传统课堂教学延展为课前预习、课上教学做、课后总结强化三个阶段。具体分成课前准备、情境引入、任务分析、课上学做、任务评价、学习总结6个步骤组织实施，如图4所示。整个教学过程中，学员是主体，教员起监督引导作用。

图3　多维度学习环境示意图

图4　信息化手段课堂组织实施步骤

3.1　课前预习阶段

第一阶段是课前预习。上课前，学员在互助平台的“个人中心”接收学习提示，在“资源中心”观看网络课程、微课堂等多种教学资源，并根据教学互助平台上教员发布的新课程内容的教学要求进自主学习，并相应完成预测题目。

3.2　课上教、学、做阶段

第二阶段是课上教、学、做。根据认知规律，将本单元2学时划分为情境引入、任务分析、任务实施、任务评价和学习总结五大教学环节，不同的教学环节采用对应的信息化教学资源和教学方法。课堂组织实施示意图如图5所示。

图5　第二阶段教学组织实施示意图

首先，利用播放视频动画，直观展示计数器在舰炮弹药自动装填系统内部弹药数量计数控制系统中的应用，将学员带入学习情境中，激发学员学习兴趣。

其次，教员带领学员以先易后难、先分立后集成的方法，分别分析一种分立元件构成的小规模加法计数电路和一种典型的中规模集成计数电路。

对于前者引导学员利用前面学过的时序电路的分析方法，根据基本JK触发器的逻辑功能和电路结构画出功能表和工作波形，使学员自主得出此异步3位二进制加法计数器的特点。进一步拓展讲解计数器不仅能记忆输入脉冲数目，而且还具有分频的功能。

对于后者，课上可以最常用的4位同步二进制计数器74Lsl61为例，通过互助平台搜寻对应数据手册了解器件功能特点，学会通过集成计数器复位端和置数端组成任意进制计数器的设计思路和方法。而后教员布置课堂任务，将任务按难度由浅至深分为：

(1)独立完成用集成器件设计一个模6或模10计数器(基本)；

(2)通过组间协作设计完成一个模60计数器(提高)。

此后，学员根据任意进制计数器的设计思路和方法自行选择任务。根据任务要求设计好电路后，利用仿真软件，通过仿真结果初步检验设计电路的正确性。在仿真结果正确的前提条件下，学员可进一步通过实物实验，掌握实际电路连接和芯片使用，观察真实结果。对于高层次的任务，则要求通过组间协作完成。例如单人通过单个芯片构成了六进制和十进制计数器，便可通过组间协作级联构成六十进制计数器。在这个过程中既锻炼了学员个人的电路设计能力，又提高了小组间协作能力，同时缩短了整个设计时长。

任务实施后，及时对任务进行评价和反馈。在针对课程内容的学习效果检验上，借鉴美国心理学家霍德华加德纳的多元智能理论评价机制，从多维度评价学员学习效果。课上部分，通过小组汇报和现场作品展示形式，给予本次课程内容的现场点评及强化。成果汇报展示是以小组为代表汇报设计思路，同时展示设计成果，教员现场给出总结性评语。在线测试，本单元学习结束后，学员通过“互助平台”上传课堂设计完成的单级和级联计数器的仿真电路图及设计报告，教员线下进行评价，并上传评价结果。借助学校创新平台，展开开放性实验任务成果，通过作品点评给予全方位评价。

3.3　学习内容总结和有效内化阶段

第三阶段是学习结束后，及时对学习内容进行总结和有效内化。在学员进行自主学习总结过程中，教学平台提供线下资源：例如同一模值计数器的多种解决方案以及实际工程应用中常用的计数器的数据手册、拓展视频和实物制作视频，以帮助学员加深对知识点的理解掌握。评价中心综合评价每一个学员的学习掌握情况，最终以柱形图和评价报告形式给出[4]。

4　结语

本文以计数器的设计与应用为例，充分利用信息化资源引导完成任务。在以下几个方面起到很好的促进作用：

(1)激发学员学习兴趣；

(2)促进学员自主学习；

(3)培养学员综合能力；

(4)提高教学效果。

此信息化教学创新设计主要体现在：

(1)拓展传统课堂教学，优化教学过程。做到课前预习有任务，课中实施有任务，课后强化有提高。

(2)整合数字化资源，综合应用各种信息化手段，贯穿课内外教学全过程。

(3)利用信息技术解决重难点。视频、动画、仿真、实操等全方位信息化，突破教学瓶颈。

(4)多维度实施评价，辅助优化教学过程，实现实施个性化教学。

参考文献：

[1]李小珉 潘强主编.电子技术基础[M].北京：电子工业出版社，2013年2月.

[2]康华光主编.电子技术基础(数字部分)[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]许哲 王雪梅.军队院校专业课信息化教学浅探[J].香港：ESE 2013-4.