结合翻转式学习与探究性学习的数字电路教学方法研究

2019-07-01宋彩霞陈龙猛

计算机教育 2019年6期

宋彩霞，陈龙猛

（青岛农业大学理学与信息科学学院，山东青岛 266109）

0 引言

工程专业的专业基础课涉及许多概念知识，教学目标希望通过这些课程的学习，使学生具备工程师的专业推演能力。与记忆概念知识（以下简称知识）不同，工程师的专业推演能力包括思考、探索、发现问题、分析问题，以及根据经验决策、解决问题的专业能力[1-2]，是工程专业学生必须具备的关键技能。

但是，在实际授课过程中，教师要想在传播知识的同时，提高学生的推演能力，具有挑战性：① 为完成工程教育繁重知识的传播以及调查研究复杂的任务，课堂时间往往显得非常有限；② 学生对知识的深入理解，也就是获得深度学习，一方面，只依靠通过课堂讲解的方式是很难获得的；另一方面，对于大多数教师来说，在课堂上进行相关的讨论是很困难的[3]。

翻转式学习与探究式学习方式的结合可以很好地解决上述问题[4]。数字电路是工程专业一门非常重要的专业基础课，其侧重于通过对常用数字芯片、逻辑电路的学习，使学生在掌握基本理论知识的基础上，培养学生分析问题和解决问题的工程系统能力[5]。与其他专业基础课相比，具有理论性与工程实践性“双强”的特点。

1 翻转式学习模式与探究性学习模式

1.1 利用翻转式学习方法进行概念基础知识学习

Bergmann和 Sams在 Flipped Learning：Gateway to tudent engagement一书中说道，“翻转式学习是一种教学方法，它通过把直接教学从群体学习空间转移到个体学习空间，促使群体学习空间转变为一种教师引导学生应用概念并创造性地进行主题学习的动态交互的学习环境”[6]。显然，翻转式学习是个性化学习。时间的重新分配有助于教师与学生在面对面的情景内参与更有价值的活动。因此需要学生在课前观看视频，否则在有限的课堂时间内，学生很难参与有效的探究活动。

此外，Bergmann和Sams指出，翻转式学习可以与许多其他的教学方法相结合[6]。同时，翻转课堂和翻转（翻转式）学习这两个术语不可混用，翻转课堂只是实现翻转式学习的一种模型，而且翻转课堂中也并不一定会发生翻转学习。因此，翻转学习是“学习内容的翻转”，即“课中适合自主学习的内容”和“课下适合群体学习的内容”的颠倒[7]。根据修订的布卢姆教育目标层级，将“课中的低级学习目标”和“课下的高级学习目标”进行翻转[6]。这里所说的低级学习目标包含记忆、理解；高级学习目标包含应用、分析、综合、评价[8]。

要想成功实现翻转式学习目标，教学决策的作用将至关重要，如决定什么样的知识将被提前传递，哪些内容将与学生探讨解决。为了在课堂上创造宝贵的面对面时间，笔者探讨使用了探究式学习方法。

1.2 利用探究性学习方法获得专业推演技能

探究式学习是一种教学方法，典型代表是美国教育学家布鲁纳针对传统教学“仓库理论”提出的“发现教学模式”[2]。探究式学习使学生有机会参与知识创造，促进其独立思考和智力成长，可通过借鉴其自身的经验和先前的知识，进行探索实验，为解决问题而进行争论等。在这个过程中，有利于学生建立批判性思维、分析和沟通技巧，并学会有效利用资源。

随着互联网的发展，在现实教学中，教师获得了一个新的角色：调解员/促进者。教师帮助学生把容易获取的信息转化为知识，并巧妙地增加了教师参与学生思维过程的程度。教师通过使用团队协作或基于项目/问题的方式精心设计问题，来对学生进行指导，而不是单纯地向学生展示事实或给学生提供清晰的问题解决方案。因此，探究式学习的关键是要让学生深入参与到专业知识的构建活动中去，增加与同学协作以获得问题解决方案的机会。课堂中的协作式学习可以鼓励学生近距离与同学讨论课程中的问题，支持学生的交流和挑战学生的思维，提升其高层次的认知思维，进而鼓励学生为自己的学习负责[9]，从而使所有学生都受益[10]。此外，这种探究式学习方法对纠正学生的错误概念，提高学生对基本概念的理解也十分有效。

2 数字电路课程教学方法的设计与实施

数字电路课程内容多学时少，一般采用大班授课的形式，教师不能兼顾不同层次学生的学习情况，学生遇到问题不便和教师及时沟通；另一方面，数字电路又是一门实践性很强的课程，其侧重于通过对常用数字芯片、逻辑电路的学习，使学生在掌握基本理论知识的基础上，培养学生分析、设计数字电路系统的能力，培养学生较强的自主学习能力、动手能力、团队合作能力，进而培养学生的创新意识和能力。

因此，本课程的设计实施采用混合教学模式，即概念知识点采用翻转式学习方式教学，涉及电路设计的部分采用探究式学习方式教学，数字电路课程具体的教学模式安排见表1。

表1 数字电路课程各章节教学模式设置

2.1 翻转式学习方式

在课程开始前，教师将视频录像、动画和授课幻灯片在精品课程网站发布，学生可以通过任何一台电脑，在任何时间访问精品课程网站上的课程内容。为了鼓励及约束学生在课前观看视频，教师在视频的结尾部分会给出几个题目，让学生回答。此外，教师在课堂教学刚开始的几分钟内，可随机提问学生，所提问题就是视频中的问题。通过以上方式，教师可以检验学生是否认真观看相关课程视频。此外，笔者还设计了一个基于大数据的个性化自适应学习系统，用来记录学生的学习轨迹，教师可以调阅查看哪些学生观看了视频，进而鼓励并督促所有学生在每节课前观看剪辑。该系统目前正在测试阶段，下学期将开始使用。在课堂上，教师总结本节课的知识点，给出问题与学生一起讨论，如学生被要求使用代数化简法或者卡诺图化简法化简逻辑表达式，教师根据在化简过程中容易出现的问题与学生讨论解决。

2.2 翻转式学习+探究式学习方式

当教师讲授到中规模数字电路或用芯片进行电路设计的章节时，采用翻转式学习和探究式学习相结合的方式教学。在课前，学生通过网站学习基础知识，课堂的大部分时间则采取小组讨论的方式进行探究式学习。为创造讨论的环境，先要将学生进行分组，每组由3名成绩分别为优秀、一般和较差的学生组成（学生学习成绩是由平时课堂提问、作业情况以及结合上学期班级排名而得出的）。在课堂上，由教师给出选定问题，要求每个小组集体讨论解决问题。这些问题一般是由实际生活中引出的，如学生比赛用的多路抢答器电路、定时器等。在此期间，教师也给每个小组提供了与其他小组分享解决方案的机会。

首先，让学生在自己的团队中分享他们的解决方案，并讨论选出最佳解决方案。待每个小组完成最佳解决方案后，2个小组可合并成1个临时较大的组，从2个最佳解决方案中选出更佳的一个，而被选为更佳解决方案的团队会获得更多积分。最终，在本学期的最后，选出整个学期最优秀的团队或个人，教师从自己的项目中拿出一部分资金，给予学生一定的物质奖励。

其次，在每一组中计算测验分数的平均分和标准差。在课堂中，教师特别向学生强调，一个好的团队成绩应该是高平均分和低标准差，而不仅仅是高平均分。这个策略旨在鼓励学生合作讨论与解决问题，共同提高专业水平。这实际上也符合工程认证的“全体原则”标准，即要求以全体学生为中心，所有的学生都必须满足认证的12条标准[11]。在小组讨论解决问题的过程中，教师无需提供直接的解决方案，其主要工作是管理时间，鼓励学生相互合作，并观察每个小组合作过程。

这种特意的分组与考察方式是出于3方面的考虑：①学生的多元化学习能力，即学生学习基础的差异；②目前国内的一些大学生在参与讨论和分享他们的想法方面一般都是被动的，他们通常都是从教师的讲课中被动接受知识。因此，鼓励参与集体协作讨论解决问题，对于鼓励探究式学习至关重要；③给予物质奖励，更是一种精神鼓励，且可以培养学生的竞争意识。

3 教学效果考核和评价

学习评价包含学生成绩与学生调查两部分。

3.1 学生成绩

学生成绩是对学生课程的掌握程度进行的客观评价，分为形成性评估（在每次课堂作业之后）与总结性评估（期中与期末考试），采用论文、期中考试、期末考试、案例研究、课堂展示、课后作业、实验情况等多元化的评估形式。评估方式的多元化构成有效避免了考试之前的突击式学习，大大减少了学生之间抄袭作业的恶习[12]，突出了自主协作学习的重要性。

在教学实践中，笔者对2016级的电子信息工程专业学生（71人）采用了翻转式学习与探究性学习相结合的方式授课，对2016级的通信工程专业学生（77人）采用了传统的课堂授课方式。这2个专业在学习数字电路之前，开设的基础课程几乎相同，而且专业背景与学生能力也相似。除此之外，这2个专业的共同点还体现在：①精品课程网站上所有的资料对这2个专业的学生都是开放的；②邀请了2名2015级通信工程学生对这2个专业的学生做了2场报告（这2名学生是学院创新小组成员，参加过全国、省级或者校级的各类电子设计比赛，有丰富的参赛与完成设计项目的经验），他们报告的主题围绕如何学习数字电路课程、数字电路在后续课程中的地位与作用展开；③数字电路课程对于这2个专业来说，采用相同的教材，有相同的课堂课时。考试用的是同一份试卷，试卷最后一个大题是选做题，从中选出一道题目进行解答，选做题是综合类的设计题，涉及的知识点比较多。

从最终的考试成绩来看，采用翻转式学习与探究性学习相结合授课方式的学生的期末成绩平均分高于传统教学班级的学生5.76分。其标准差，采用翻转式学习与探究性学习相结合授课方式班的为15.32，传统课堂的班级的标准差为17.28。

3.2 学生调查

学生态度调查是从学生的主观角度出发，对翻转式学习与探究性学习相结合方式的教学效果进行的调查。通过调查，笔者整理出的几项反馈意见：①创新小组学员的报告帮助了解数字电路的实际应用；②教师在课堂开始的提问会促使课前预习；③每次观看视频时，一般都会反复看上几次；④课前观看视频，感觉在课堂上就可以有时间和机会与同学讨论；⑤为了跟上同学，每次课前都坚持观看视频，为了能够参加小组讨论，必须每周坚持学习，不要拖延；⑥在这门课上可以说话了，不会再沉默了；⑦原来生活中遇到的许多问题，可以用学到的数字电路知识解决；⑧感觉自己与学习好的同学的距离在缩短。

通过学生反馈可以看出，每堂课之前的视频观看，可以使教师留出更多的课堂时间给学生讨论。学生可以随时看、反复看，特别是在他们需要提高理解力时可方便地观看剪辑，有助于他们为期中考试或期末考试做好准备。

其次，通过让学生集体承担学习责任，并为他们提供更多与同学交流的机会，促进了探究式学习的讨论。频繁地沟通和集体学习是加深学生对数字电路课程内容理解、运用的有效途径。课堂上进行的小组讨论，使学生开始感受到学习的集体责任，促使他们积极与小组成员之间讨论问题，并分享不同的方案，以便找到更好的解决方案，促进深度学习的发生。对于教师，成绩的低标准差是相当有意义的，与提高平均分数一样，因为它表明高成绩学生与低成绩学生之间的学习差距正在减小。

4 授课方式对教师的要求

4.1 心中有学生，从学生的视角设计教学

项目主题的选择、实施方案的设计、所需材料的选取等，都应以学生主体来设计与选择，教师不应包办代替。教师不提供直接的解决方案，尊重学生自己的选择。学生从自己生活的经验世界中，利用所学知识，寻求解决方案，使探究式学习变得真正有意义与价值。

4.2 心中有生活，从生活中发现教学实例

从实际生活或是科研中发现适合的工程项目，将其引入教学作为配套项目，不需要占用过多的课堂时间就可以让学生理解项目的主要功能。项目的选择应兼具趣味性与知识性，如在课堂授课中用到的“多路智力竞赛抢答器”就是从学校的各种竞赛中受到启发，学校经常组织各种知识竞赛，学生对此比较熟悉，也比较感兴趣。用学过的知识自己设计一个抢答器，既可以把知识转化为成果使用，又能实现所做即所见，进而达到学以致用的目的。

4.3 心中有地位，重在引导、管理、协调

在教学过程中，教师要明确学生是主体，教师发挥的是主导作用。在教学过程中，教师要给学生提供必要的帮助和指导，使学生在探究中能明确方向，让学生集体承担学习责任。教师鼓励和指导学生创造性地开展工作，教师可以通过电话、QQ 群、微信等电子手段和平台对学生学习进行有针对性的指导和监控。要创设以“学”为中心的探究学习环境，有民主和谐的课堂气氛，使学生很少感到有压力。总之，这种环境要使学生真正有独立探究的机会和愿望，而不是被教师直接引向问题的答案。