基于乘法策略的数字电子实验教学模式研究

梁丽勤，张宝健，郭献章，刘 扬

(东北大学 秦皇岛分校 a.实验教育中心；b.控制工程学院，河北 秦皇岛 066004)

实验教学是本科教学的重要环节，是理论教学的重要实践补充，是培养学生实践技能、独立思考、解决问题的能力和创新能力的重要手段. 数字电子技术实验课是电学相关专业学生接触最早的专业实验课程之一，面向对象是相关专业本科二年级学生. 学生首次接触专业基础课，专业知识学习不深入，在这个阶段可以通过一系列的实践能力训练，提高学生创新意识和创新能力，为学生进入高年级专业课学习及参加专业创新竞赛奠定良好的基础.

混合式学习及教学方式之一是利用“互联网+”丰富的技术手段实现利用微课、翻转课堂和虚拟实验等信息技术手段，将传统课堂中师生面对面教学与数字化学习相结合的教与学的新方式，旨在发挥教师在教学过程中的引导、启发、监控等主导作用，体现学生在学习过程中的积极性、主动性和创造性[1-3]. 但由于混合式教学模式受实验设备和场所的限制，与理论课教学模式存在较大区别，在实践类课程中的应用并不广泛. 混合式教学模式早期应用在经济学、管理学等实验课程中[4]，2016年开始应用于英语、物理等实验课程[5-13]. 该尝试和应用实践取得了较好的课堂效果，促进了学生自主学习，提升了学生动手能力以及创新能力. 基于微创新中的乘法策略理论[14]的实验教学模式能够将运用微课、翻转课堂和虚拟仿真实验等混合式教学方式系统化、规范化，深度挖掘实验教学在提高学生创新意识和创新能力作用的潜力.

1 微创新中的乘法策略理论

文献[14]中乘法策略的定义为选择1个对象，对它进行复制和修改，以构想出全新的产品或服务. 芝加哥的地标之一西尔斯大厦的建筑结构设计、吉利双刀头剃须刀、不同倾角的气泡水平仪和SAT标准化测试的设计思路都遵循了乘法策略理论. 乘法策略不只是给产品或服务做简单的加法，而是在复制的同时对产品的部件做出改动，最终达到产品创新的目标.

美国的SAT(学术能力评估测试)考试首次推行了基于乘法策略的出题模式. SAT考试针对测试题目运用乘法策略，将SAT考试中的试题分为给分题和不给分题，不给分题混杂在测试中，考生不能从试卷中得知哪些是不给分题. 将某些题目的分值修改为零(即不给分的“实验题”)，使得美国大学理事会通过了解给出正确答案学生的比例，从而确定这些题目在未来考试中的效度，最终解决历年试卷在试题的新颖性、难易程度、出题人能力差异等问题. 自从美国大学理事会推行了基于乘法策略的出题模式后，世界各地很多考试机构都开始纷纷效仿. 如今，各级教师也参照美国大学理事会当年采取的手段，有效地保证各类测试的公平性和准确性.

运用乘法策略，主要有以下5个步骤：

1)列举产品或服务的内部组成部分；

2)选择其中一部分进行复制(列举出该部分的属性，并选择1个基本属性加以改变)；

3)设想新产品或新服务的样子；

4)分析其潜在优势、市场需求等；

5)确定好新产品或新服务的价值，再分析方法的可行性及如何调整等问题.

乘法策略最终通过对产品的某个部分做乘法，并通过调整使其具备了先前不具有的特性，完成产品的创新.

2 基于乘法策略的数字电子实验教学模式研究

数字电子实验教学模式的改革，基于上述的乘法策略，复制原有的实验课，实现了预习课、实验课和复习课“三课合一”的实验教学模式.

2.1 数字电子实验教学现状

数字电子实验教学的内部组成部分(即内部控件)主要包括：教师课前准备、教师上课讲解、学生实践实验、教师指导实验以及学生完成实验报告，其属性包含：实验教师教学的方式、学生实验的途径、教师指导的方式以及学生实验报告的类型.

2.1.1 教师课前的准备和课上讲解现状

教师课前做充分准备，进行先行实验，仔细检查仪器设备和实验材料(包括实验芯片、元件和导线). 在学生实验开始前，教师对实验的目的和要求、实验原理、仪器设备的使用方法、实验操作过程等，通过讲授或谈话等方式作充分说明，必要时进行电路连接示范，以增强学生实验的自觉性. 例如：在首次实验中，实验包含的仪器介绍及使用方法往往占用大量的时间，由于学生对仪器比较陌生，即使教师讲授得非常具体，学生也经常会发生仪器操作失误，进而导致实验失败甚至损坏设备，致使教师维护仪器设备的工作量增加，学生对实验形成畏惧感、排斥感.

2.1.2 学生实践实验现状

学生按照教师的实验讲解、实验指导书的操作步骤，查找芯片型号并按照电路图连接导线，通过测试对应输入的输出电平、信号状态，验证电路的逻辑或时序关系，达到进一步理解和掌握理论知识的目的. 由于实验方法单一，仅仅依靠教师讲解实验操作步骤，学生按实验要求进行测试，无需进行深入思考即可完成实验，使得实践环节多是机械模仿，缺乏问题意识，缺乏创新性，教学效果达不到预期目标.

2.1.3 教师指导实验现状

在实验过程中，教师巡视指导，及时发现和纠正出现的操作不当问题，进行科学态度和方法的教育. 由于学生对仪器设备操作不熟练，教师大多是帮助学生检查芯片的选择或安装、电路的连接等问题，无暇关注学生的电路设计及对电路原理的理解，导致不能彰显教师在创新意识和能力培养的引领作用.

2.1.4 学生完成实验报告现状

实验结束后，学生对实验进行总结并写出实验报告. 由于学生实践实验大多停留在机械地模仿，学生实验的总结也较多集中在实验模仿的过程中出现问题的分析和总结，实验报告的主要内容为实验数据的整理和误差分析，不能达到培养学生独立思考、解决问题的能力和创新能力的教学目标.

列举数字电子实验教学的内部组成部分，是运用乘法策略的步骤1)，为进行复制等后续过程做充分的准备.

2.2 运用乘法策论，复制实验课

运用乘法策略复制实验课原理图如图1所示. 首先确定复制实验课的份数，分别为预习课、实践课和复习课3份；再分析每个副本内部的组成部分的属性，并选择至少1个基本属性加以改变；最终得到3份不同功能的实验课.

图1 运用乘法策略复制实验课原理图

副本1(预习课)：预习课是在学生未接触实际实验设备仪器的情况下，运用过微课、虚拟仿真平台和网络教学平台，学生通过学习微课视频、查阅资料和仿真实验等方式，掌握实验原理、步骤、实验理论分析和电路设计等实验内容. 根据预习课的以上特点，将原实验课的5个内部控件(教师课前准备、教师课上讲解、学生实践实验、教师指导实验和学生完成报告)的内部属性(实验教师教学的方式、学生实验的途径、教师指导的方式和学生实验报告的类型)加以改变后，分别为教师录制微课、教师发放微课、学生仿真实验、教师在线指导和学生完成预习实验报告.

副本2(实践课)：实践课是在学生已经通过微课、虚拟仿真平台和网络教学平台对实验原理、步骤、实验理论分析和电路设计等实验内容基本掌握的情况下，在实际实验环境中完成实验. 根据实践课的特点，将原实验课的5个内部控件的第2个(教师课上讲解)改为教师课上提问和学生介绍设计思路的翻转课堂模式，以此了解学生预习的效果和实验原理等的掌握情况，再进行有针对性的辅导.

副本3(复习课)：复习课是在学生实践课后，通过教师总结微课，完成扩展实验的仿真实验课. 根据复习课的特点，将原实验课的5个内部控件加以改变，分别为教师录制复习微课、教师发放微课、学生仿真扩展实验、教师在线指导和学生完成扩展实验报告.

2.3 基于乘法策略的数字电子实验教学模式设计

基于乘法策略的数字电子实验教学模式设计如图2所示. 基于乘法策略的教学模式将原有的课堂教学复制，形成预习课、实验课、复习课3部分组成的实验教学模式. 数字电子实验课不仅要求学生掌握基本芯片的使用方法，而且要求能在实验中掌握电路的分析与设计方法，最终为后续的微机原理、单片机等专业课的学习打下坚实的基础. 对于电路的分析与设计方法、学生创新型思维的训练，单纯依靠1次实验课是无法完成的. 在乘法策略创新型思维的启发下，根据数字电子实验课的特点，设计了基于乘法策略的数字电子实验教学模式，复制原有的实验课，实现了预习课、实践课和复习课“三课合一”的实验教学模式.

图2 基于乘法策略的数字电子实验教学模式设计

预习课建立于微课、仿真实验和网络平台的基础上，围绕学生预习更加充分的目标开展. 预习课中，教师通过微课向学生介绍实验目的、原理、要求，实验仪器使用，仿真实验及预习实验报告的要求；学生通过学习预习微课、实验指导书和查阅网络资料，完成实验的仿真和预习实验报告. 在学生预习期间，学生与教师可以通过网络平台完成答疑工作. 通过教师网上答疑、学生提交预习课报告和实验具体要求确定实践课中教师翻转课堂的提问环节问题.

实践课改变了原实验课教师讲解部件的教学方式属性，由教师讲解方式改为翻转课堂教学方式. 实践课中通过教师提问和学生电路设计思路介绍，教师更好地了解学生预习的情况并有针对性地对实验的具体操作等重点提示. 由学生介绍设计思路、实验，教师指导实验和学生提交的实践课报告形成实践情况评价. 实践情况评价不仅可以对复习课的总结有指导作用，还可以反馈给翻转课堂环节，促进下一轮实践课的开展.

复习课是在开展实践课后的附加内容，通过扩展性的实验巩固实验原理和方法. 教师可根据具体实验布置扩展实验题目，学生通过仿真实验完成. 类似于预习课的指导模式，教师通过网络进行答疑，最后，根据答疑的情况和学生提交的复习课报告形成复习情况评价.

数字电子实验“三课合一”的实验教学评价包含了预习课、实践课和复习课的情况，覆盖了实验课的全过程，为整体实验教学模式的完善提供依据. “三课”的情况评价不仅对本环节的教学具有反馈作用，同时也对后续教学环节的开展具有指导作用.

3 实施效果

在1年的教学模式改革尝试中，通过教师课堂观察、学生课后反馈及后续跟踪了解，基于乘法策略的教学模式在数字电子技术实验课程中取得了良好的效果.

1)学生预习的主动性明显加强. 通过预习课中发放的微课，学生对实验课的目的和要求、实验仪器有了较深入的了解，在完成预习课中的电路设计图等任务中主动加强对相关知识的预习、查阅资料文献并将设计的电路图在Multisim仿真软件中仿真实现，对于遇到的各种问题还可以通过网络教学平台、微信和QQ等方式，得到教师1对1的指导，这在很大程度上提高了学习的主动性和预习的效果.

2)教师在课堂中讲授的内容更有侧重性. 教师通过课堂提问，了解学生预习的情况，对学生掌握得比较好的实验内容可以一带而过，对学生觉得难理解、注意事项较多的内容可以详细介绍. 例如，在首次实验中仪器使用介绍往往占用大量的课上时间，学生由于对仪器比较陌生，即使教师讲授得具体详细也经常发生仪器操作失误，进而导致实验失败甚至损坏设备. 相反，“三课合一”教学模式实施后，学生已经通过微课和虚拟实验，在视觉上对仪器设备具有一定的认识，并对仪器使用规范等重点和难点可多次观看微课以加深印象. 在课上环节，教师通过提问方式，了解学生具体掌握了哪些仪器的使用规范,哪些还不太深刻，可以有针对性、有重点地介绍相关的知识，缩短讲解时间，提高了学生的听课效果，提高实验成功率，并保证设备的完好率. 因此，教师课堂讲授内容随着不同专业，甚至不同班级的具体情况，详略不一，更具针对性和侧重性.

3)学生课上的实验效率有所提高. 由于预习课中学生的预习充分，课堂中教师的提问、学生介绍实验电路等设计思路、教师点评等互动环节变得更活跃，学生对实验过程的操作更加得心应手，实验内容的完成更加有目的性，降低了误操作的概率，缩短了完成时间，提高了实验效率，实验过程更加顺利. 以我校为例，4次数字电子实验平均完成时间和规定时间完成实验比例对比如表1所示.

表1 基于乘法策略的实验教学模式开展前后实验效率对比

4)学生的电路设计能力、创新意识和实践能力得到了进一步的提高. 区别于往年的电路连接实验，学生通过预习课的电路设计、仿真实验，实践课的小组讨论、电路设计思路介绍、实验实际操作，复习课的扩展实验仿真实现，掌握了基本的电路设计思路和步骤. 例如，在计数器实验中，要求学生完成十六进制到六进制、十进制等其他进制的转换及2位74LS190芯片组成的加法计数器. 传统的教学模式下，教师将设计好的参考电路告诉学生，大多数学生会按照参考电路直接连接导线，验证参考电路的正确性. 经乘法策略改革后的教学模式下，教师并未给出参考电路，学生在实验时已经将自行设计的电路仿真验证成功，在课上与其他学生和教师进行设计思路的交流. 通过学生介绍、教师点评，学生对计数器的功能更加熟悉，真正达到了实验课程锻炼学生实践与操作能力的目标. 在进入三年级后，学生参与创新类的竞赛积极性明显提高，并且在“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、大学生节能减排社会实践与科技竞赛等国家级电子类创新大赛中多次获奖.

综上所述，从授课情况、学生学习情况、学生自身能力培养等多方面来看，基于乘法策略的数字电子技术实验教学模式取得了良好的教学效果.

4 结束语

基于乘法策略的数字电子实验教学模式吸取了现有的混合式教学模式的有益探索，对原实验课复制为预习课、实践课和复习课，并且根据各自特点对讲授方式、指导方式和实验方法等做出相应改变，形成“三课合一”的实验教学新模式. 该实验教学模式从预习、实践到复习，每个环节更注重对学生学习的主动性和创新性的培养，使学生从原来被动接受知识变为自主探索新知识，最终达到在实验课中巩固理论知识、锻炼设计电路的能力、培养创新实践意识. 基于“乘法策略”理论的数字电子实验教学模式能够将运用微课、翻转课堂和虚拟仿真实验等混合式教学方式系统化、规范化.