翻转课堂在《电子EDA技术》课程中的应用与实践*

高新华，钟福如，田 敏，周 涛

（石河子大学 信息科学与技术学院，新疆 石河子832003）

一、引言

翻转课堂是信息技术催生的一种教学模式，它将基础知识的学习放在课前，课堂上则用于答疑解惑，合作学习，内化知识点。翻转课堂契合了信息化时代学生学习的新变化，即通过微课进行碎片化学习，借助网络实现个性化学习，教师在学生的学习过程中充当辅助角色、导演角色，和学生是亦师亦友的关系，帮助引导学生学习。因此，翻转课堂既锻炼了学生合作学习的能力和创新能力，又有助于教师实现因材施教，打造高效课堂。目前大部分高校仍然采取“老师在课上演示，学生在课下操作”的传统教学模式[1]，忽视了学生的差异性、创新性、互动性及个性发展，不重视学生的质疑及自主探究能力的发展。究其原因，一方面是教师的教学理念没有改变，觉得教材上的知识点都很重要，多讲可以让学生较好地记忆知识；另一方面由于翻转课堂本地化不够，还没有非常成功的可借鉴的案例和教学模式。尽管如此，翻转课堂已经成为教学改革的一个趋势，许多教师开始尝试采用翻转课堂授课[1-3]。但是翻转课堂要求教师具有较高的信息素养，同时要求学生具有较强的自律、自学和自主探究能力。这导致目前课堂翻转在实际教学中往往只进行了形式上的翻转，即课前观看视频和查找资料，课堂上讨论和练习，很难达到提升教学效果的目的。

研究表明[4-6]，课堂教学活动设计是核心，课前的学生自学是关键。那么，如何做好这两个环节驱动学生积极主动学习呢？笔者结合基于项目的学习（Projectbased Learning，简称PBL）和翻转课堂两者的优势，在《电子EDA技术》课程中构建了一种课堂教学设计模式，为高校高等教育改革实践提供可借鉴的经验。

二、PBL的概念和内涵

1.PBL的概念

PBL通过“项目”来实施课堂教学,强调让学生明确学习目标，在尝试探索、交流等自主学习活动中勇于探索，大胆分析、提问、质疑，在感悟中发现，在发现中创新。信息时代，学习资源的极大丰富和信息获取的方便、快捷，也为PBL教学模式提供了一个良好的技术支持平台。基于项目的学习基本过程包括：提出问题、集体讨论、确定项目、查询和阅读文献资料、制定实验或调查方案、数据搜集和分析处理、整理研究成果和撰写研究论文、报告或设计产品等[7]。总的来说，基于项目的学习模式强调过程学习，强调以学生为中心，追求对学生高阶能力的培养,实现深度学习。

鉴于PBL的优势，其已经成为国外研究性学习的主要模式之一，国内的教育工作者也纷纷将其引入课堂。新疆农业大学的时磊将课外实践和大学生创新训练计划结合，在《动物学》课程中实施PBL教学模式，发现该模式有助于满足课程教学改革新要求和培养学生的创新能力及实践能力[7]。邬彤将PBL教学模式运用到信息技术课程中，认为可以整合课程知识，提高学生的综合素养[8]。马纳克将PBL引入到《大学英语》课程教学中，提出在教学实施过程中注重“项目”和“小组合作学习”两个环节，增加了课程的开放性和挑战性[9]。杜世友将PBL应用在 《教学系统设计》双语课程中，证明PBL模式下的课程教学效果包括期末考试成绩和学生学习态度明显优于传统教学模式。[10]

2.翻转课堂和PBL

翻转课堂打破了知识接收与知识内化的时间顺序和空间，将知识内化的地点放在教室，通过教师和同学的帮助，提高知识内化的效率。所以，无论是PBL还是翻转课堂，均强调主体为学生，教师帮助学生搭建学习支架。由于国内主要以学习成绩特别是期末考试成绩作为判断教学效果的重要指标，对批判性思维、创新能力和知识迁移等深度学习能力方面涉及较少，同时对过程评价也不够重视，因此翻转课堂仍处于探索实践阶段，还未能最大限度地发挥其优势。但深度学习和深度思维对于创新人才非常重要，是创新的源泉。黎加厚教授认为深度学习是指在理解的基础上，学习者批判性地学习新思想和新知识，将它们与原有的认知结构相融合，将众多思想相互关联，将已有的知识迁移到新的情境中去，做出决策并解决问题的学习[11]。翻转课堂要求学生课前进行知识的学习，课中进行知识的内化和迁移，课后进行知识的巩固和深化，这一过程本身就是由浅表学习走向深度学习的过程。同时，翻转课堂拓展了教学的时间和空间，突出了学生的主体性，正是对深度学习的有效支持。翻转课堂和PBL具有同样的追求目标——实现深度学习，因此二者具有天然的相互支持性。

表1 项目教学的内容

三、基于PBL模式的翻转课堂实施策略

1.实施模块化教学，整合重构教学内容

《电子EDA技术》是一门语言兼工具类课程，理论知识琐碎而繁多，对实践能力要求很高。笔者希望能以实际项目为纽带，串起该课程各个知识点，突出主要目标，根据PBL教学理念，通过项目实施让学生边做边学。因此，笔者基于翻转课堂的教学理念对课堂教学内容进行了优化设计，分为8讲：

（1）绪论。有研究表明，中国乃至东方人的学习习惯是“先见森林，再见树木”[11]，因此绪论就显得很重要。本讲除了在线学习外，还专门花2个课时面对面教学，学生通过对本门课程大概的了解来提高学习效率；

（2）原理图仿真设计。要求学生掌握EDA的设计流程，原理图学生比较熟悉，起了承上启下的作用；

（3）组合逻辑电路设计。让学生熟悉基本语法，体会自上而下的现代电子设计理念；

（4）时序逻辑电路设计。借助D触发器和计数器等，体会时序电路“不完整语句”的特点；

（5）状态图设计。升华理解时序电路的设计；

（6）开设讨论课。针对易错和心得体会进行讨论和演说，交流经验；

（7）DDS的仿真设计。让学生体会到复杂项目的设计流程，撰写报告的格式与重要性；

（8）课程大论文的汇报检查。大论文以小组合作学习的方式完成，模拟真实的项目设计过程，通过考查的方式督促学生对本课程内容进行回顾与总结，本讲实际花费时间可能不止4学时，一方面检查时间不够用，另一方面学生也不一定能按时完成。

教学目标确定后，开始拟定具体的项目，本课程拟定了流水灯、交通灯等8个项目，如表1所示。部分知识点在练习中体会掌握，部分知识点在自学后通过课后测验加以强化。

2.优化课堂结构，讲练结合

传统的课堂教学是2学时/次，但是 《电子EDA技术》是实践性很强的一门课程，本着“以练促学”的教学思路，采取课堂训练为主，讨论结合的方式进行课堂教学。这样2学时/次的课堂时间显得有些捉襟见肘了，因此我们安排4学时/次。在课堂结构上采用“171”模式，即教师导入、学生分组并合作讨论质疑的问题、学生展示教师总结花费时间的比例为1∶7∶1。课前一天对学生反馈的问题进行汇总分析，制定教学方案。课中将学生普遍存在的问题进行分析讲解引出新的课题内容，由学生进行电路的设计仿真，并进行汇报。期间教师进行指导和讲评。和传统教学方式相比，将课堂延伸到了课外，通过不断督促学生课后进行回顾和反思，培养学生持续学习和终身学习的习惯。教学流程采用西南交通大学范怡红老师的方案，如图1所示。

图1 基于项目教学的教学流程图

3.强调过程考核，培养学生思考问题的能力

过程考核的目的主要是体现公平，避免一考定终身。对教学效果的评估主要由两方面构成：平时成绩及期末考试成绩，两部分成绩均有考核量表进行评定。过程考核关注学生在整门课程学习中的表现，学生要得到优秀就必须各阶段都认真对待，这种考核方式让学生抄袭和投机的动机降低。由于课程的实施不断有问题的引导，学生发现问题和解决问题的能力也得到了激发，提升了创新能力。大数据等信息技术保证了教师能实时掌握学生学习动态，对考核的结果进行多方位的分析，从而能灵活调整授课方式和策略，促进学生学习。

4.重视课前资源建设及任务书的设计，提高学生的学习兴趣

教师对网络教学平台上传的资料包括微视频、课件PPT、学习资料、实验指导书等，开放讨论区功能，及时得到学生的反馈来进行教学方案的设计。课前自学任务书是翻转课堂的关键文件，需要有针对性，不能脱离班级学情。通过课前自学任务书的学习后，回到课题进行重度体验，实现知识的内化。好的课前自学任务书有利于引导学生快速有效地学习，从而提高课堂的教学效果，实现高效课堂。同时，引导学生对背景、问题进行思考，提升探索未知世界的能力和学习兴趣，增强了翻转课堂的实施效果。

四、结果与反思

该课程实践性强的特征决定了其课程考核主要以作品的形式进行评价，同时，我们也通过笔试考查学生对基本概念的理解记忆。通过分析期末总评成绩和学生学习过程中的表现，得到以下几点结论：

1.端正了学生的学习态度

在学习过程中，不同阶段学生需要制作不同的可展示的作品，这就要求学生保持持续的学习压力和动力，同时项目的趣味性和展示性也让学生保持一定的学习兴趣。翻转课堂教学模式的实施保证了学生可以在课外进行较为高效的学习，并获得教师的及时帮助，从而使得学生的最近学习区得到有效拓展。大多数学生端正了学习态度，从“要我学”转变为“我要学”，整个课程的实施过程中学生要不断思考，保证了学习的有效性。从外在表现看，学生课堂上玩手机的少了，无效学习的时间少了，交流多了，课后学生之间的协作学习多了。

2.培养了学生的动手能力，并激发了学生的学习兴趣与潜能

每一次课都有一个任务要完成，动手技能得到较为充分的锻炼，同时又融入了理论，保证了学习的可持续性。循序渐进的任务引领、小组合作学习，可以让每个学生都能进行动手实践，从而对本门课程的学习兴趣与潜能得到激发。通过一个任务的实现，大多数学生都可以用VHDL语言来设计电路的仿真和验证，甚至进行故障分析，学生的协作、汇报交流能力也得到了提高。

3.学生的创新能力有了提升，向深度学习转变

将翻转课堂和项目实践教学模式相结合，学生在完成项目的过程中掌握课程知识要点，还可以体验技术创作的艰辛与乐趣。小组合作学习和先学后教的方式培养了学生的协作能力、问题解决能力和创新意识，改变了以往的学习方式。本门课程主要应用VHDL语言进行电路设计，对学生的学科基础要求较低，自由发挥余地较大，因此学生的创新和自学探索能力得到更好的发挥。项目设置的开放性和挑战性以及翻转课堂保证了对学生解决问题能力和批判性思维能力的训练，学生的学习方式向深度学习转变。例如在设计论文时，我们要求自主选题，学生展现了他们的无限想象力，各式各样的电路结构被设计出来。同时，项目式教学让学生更有成就感，也大大提高了学习兴趣。

4.反思

和部分文献暴露出来的问题类似[13]，在《电子EDA技术》翻转课堂教学模式中，部分学生并不适应，主要表现为自学效率很低，习惯于教师讲授。但是我们现在还只能选择一种模式进行授课，难以做到因材施教和个性化学习，这还需要学校从管理的角度进行优化和统筹安排。另外，专业课程教师面临科研压力和教学团队的限制，难以在教学活动设计中投入更多时间进行完善，这使得翻转课堂教学模式的优势没有得到更好的发挥。