线上线下混合教学中的贯通式设计与探索

李德鑫， 宋晓骥， 杜湘瑜， 余安喜

(国防科技大学 电子科学学院，湖南 长沙 410073)

0 引言

受新冠疫情的影响，在信息技术的支撑下，线上教学得到了快速发展。后疫情时代，线上线下混合教学已实现新鲜感向新常态的转变。然而，混合式教学在经典教学模式知识点离散化的基础上，进一步形成了教学过程的空间与时间离散。“时间-空间-知识”的碎片化会对学员宏观知识体系构建造成较大影响，因此在推进教学改革时必须加以重视。

贯通式教学，是指在课堂教学、实验教学、课外训练等环节中，强调课程内、课程间、本学科和其他学科之间、课堂教学与实践之间的相互联系，强调知识的融会贯通[1]。本文以“电子技术基础”课程中计数器电路内容为例，在混合式教学模式基础上开展了贯通式教学的设计与探索。通过思维导图、虚拟仿真、实物演示等信息化手段，形成了数码显示、循环计数、时钟发生等知识点的“锚点式-环扣式”教学设计，促进了各知识点之间的紧耦合，有助于学员知识体系的构建，高阶能力与电路素养的提升。

文章结构安排如下：第二节引入基于思维导图的教学规划；第三节开展知识贯通式的教学设计；第四节介绍信息手段支撑下的教学实施要点；最后对全文内容进行总结。

1 基于思维导图的教学规划

思维导图被喻为“大脑瑞士军刀”，能够运用于记忆、创造、学习和各种思维形式，有利于知识体系的构建[2]。为开展计数器电路的贯通式教学，本文形成了功能牵引式的知识图谱，如图1所示[3]。图中，(↑)表示线上自学内容，(↓)表示线下教学内容。从整个课程知识体系来看，数码显示模块属于组合逻辑电路，循环计数模块与时钟发生模块属于时序逻辑电路。因此，本教学内容是数字电子技术两大典型电路的综合，通过应用案例的展开能够促进相关知识点的融会贯通。根据各知识点的依存关系与课程的总体规划，在授课过程中采用数码显示、循环计数、时钟发生的顺序，分三个课时讲解。

2 知识贯通式的教学设计

2.1 教学目标

本课程将教学目标划分为知识、能力、素养三个层面[4]。

(1)知识层面：通过计数器电路，了解译码器、计数器、555定时器基本概念，理解中规模逻辑器件(CD4511、74LS161、74LS00、NE555)的基本功能，掌握利用相关逻辑器件实现数显、计数、时钟发生的基本方法。

(2)能力层面：培养逻辑器件功能表识读与应用能力，数字电路分析与设计的基本能力；

(3)素养层面：提升学员的电路素养，建立电路设计中的系统观与辨证思维，养成发现问题、解决问题的意识。

2.2 学情分析

在开始相关内容学习之前，学员已经掌握了逻辑代数基础、熟悉了组合逻辑电路中基本的门电路、时序逻辑电路中基本的触发器。能够在基本器件与原理的基础上，进阶学习中规模逻辑器件的功能与使用、以及如何分析与设计具有特定功能的数字电路。

2.3 任务分析

1)教学内容

主要涵盖数显译码器与数码管、74LS161与计数器设计、555定时器的功能与应用。

2)重难点

数显译码电路的逻辑抽象、计数器设计方法、多谐振荡器工作原理。

2.4 设计方案

在计数器电路授课过程中，贯彻“理实一体”的教学理念，开展“知识-理论-实践”横向贯通的教学设计，如图2所示。首先，以功能为牵引对电路进行模块化分解，进而结合课程中相应的知识点，使学员了解各个模块的功能与实现；最后通过“锚点式-环扣式”的知识图谱、Multisim仿真、实物演示等信息化手段，实现多知识点的纵向贯通。

1)“锚点式-环扣式”的知识图谱

如图 3所示，首先根据模块划分，各模块之间形成功能环扣；进而将每一个模块作为锚点，根据知识间的依存关系，形成“锚点式-环扣式”的知识图谱。

图1 计数器电路知识图谱

图2 教学设计思路

图3 锚点-环扣式知识图谱

2)Multisim仿真

如图 4所示，利用Multisim的电路仿真功能，搭建数码显示模块(CD4511+共阴极数码管)、循环计数模块(74LS161加法计数器)、矩形波发生模块(基于555定时器的多谐振荡电路)，实现计数器的功能，进而验证相关原理、功能与电路。

3)实物演示

如图5所示，根据仿真电路，绘制PCB板，制作实物演示电路，使学员对所学知识有一个更为直观、形象的认识和理解。

3 信息手段支撑的教学实施

3.1 课前准备

积极引入“互联网+”的教学平台，利用雨课堂完成师生间的线上互动。课前，通过雨课堂发布任务，以知识点、关键词等形式，引导学员利用教材、讲义、慕课、微课等资源完成知识的回顾与预习，并通过封闭式客观问题与开放式主观问题相结合的形式完成课前测，通过客观问题快速激励起学员对重要知识点的回顾，通过主观问题形成发散思维，建立清晰的思维逻辑与多维互联的知识体系。教员利用前测结果的反馈机制，合理调整课程内容与节奏，进而优化教学效果。

3.2 课堂教学

1)贯通式案例引入

以现代化的生产流水线作为引入，提出问题：“随着科学技术的不断进步，流水线式的生产已经进入到了各个产业。那么，如何统计流水线生产产品的数量呢？”。

2)问题抽象

剖析实际的问题，进行电学抽象和逻辑抽象，通过功能和原理的简化实现与教学内容的对接。信号模拟：可以通过传感器，对产品进行“0-1”抽象，形成类似的矩形波信号，因此需要解决矩形波-时钟信号的产生问题，以模仿流水线上产品的通过。数量统计：通过逻辑抽象、功能简化，将数量统计演化为0-9的十进制加法计数问题。数码显示：在数字电路中，统计结果以二进制表示，而要使人直观地读取产品数量，则需要通过数显译码器将二进制数转化成十进制数并显示。

图4 基于Multisim的计数器电路仿真

图5 计数器实物演示

3)内容展开

依照线上线下混合式教学的方法，分别围绕数码显示、基于74LS161的加法计数器、555多谐振荡器为锚点展开介绍。然后通过Multisim中的虚拟示波器，对电路中典型的电压、高低电平、逻辑状态进行显示，对课程内容中的原理、过程、结论进行验证，以达到深化理论认知的目的。最后，通过口袋实验室进行实物演示，调整电路板上的电位器、跳帽等，引导学员观察结果的变化，并开展理论分析，以贯彻理实一体的教学理念。

4)“锚点式-环扣式”小结与体系构建

为了突出贯通式教学的特点，在课程讲授结束时，通过“锚点式-环扣式”方法进行小结，帮助学员完善相关知识体系。

3.3 课后提升

为形成开放式的教学环境，课后为学员安排拓展阅读与思考，以计数器电路为例，引导学员发现问题，解决问题；例如信号发生模块，除了555定时器构成的多谐振荡器还可以通过什么实现？预设答案为基于滞回比较器的矩形波发生器、基于分立元件的多谐振荡器。对于实物演示电路，如果改变跳帽的位置，电路的功能会发生什么变化？预设答案为十进制计数器变为九进制计数器。进一步地，为了满足不同学生的需求，实现个性化的学习，课程还会提供进阶拓展锻炼，例如通过相同原理实现的更为复杂的数字时钟电路，如图6所示。

图6 数字时钟电路

4 结语

本文针对混合式教学中存在“时间-空间-知识”离散化，不利于知识体系构建的问题，引入了贯通式教学理念，以计数器电路为例开展了教学设计与探索。该方法注重利用信息化技术，强化知识连接，突出理实结合，能够较好地培养学员知识应用能力、发散思维能力，提升学员的问题意识和电学素养。但在最后的仿真和实物演示部分，学员仍是以观察者的身份出现，参与度较低，后期会改进相应环节，通过学员在课后“复现-改进-创新-增效”的分层实现，进一步提升其电路分析与设计能力、动手实践能力。