搭建双塔型梯度实验模型，让深度学习真实发生——通用技术“逻辑电路”实验课教学探索

章亚钧|浙江省新昌中学

电子控制技术是高中通用技术课程的重要内容，而在课程实施中，学生对这一内容的学习存在自主性和创新性缺乏、动手实践能力弱等问题。电子控制技术知识来源于生活和工作实践，具有很强的实践性以及广泛的应用性，因此在理论教学中融入生活经验进行一体化教学，能够起到事半功倍的教学效果。以下是笔者在“逻辑电路”实验课教学中通过搭建双塔型梯度实验模型让深度学习真实发生的探索。

一、徒手控灯，激发兴趣

在课堂教学的导入环节，笔者利用cmos逻辑集成块设计二极管亮灯实验。实验中，笔者走近电路，LED 灯被点亮，远离电路则该灯熄灭。笔者让学生上前体验，也能发生这种现象，而且学生穿着的衣服材质不同，能点亮LED灯的距离也不同。由此，笔者启发学生思考：为何会出现这样的现象？

在这个实验中，笔者秉承给予学生“渔”的方法，设置可以让学生亲身体验的场景，让学生通过实际体验来发现问题。这不仅激发了学生的兴趣，还使学生经历了知识的发现与建构过程，并在发现神奇事物的过程中点燃了其思考、探索的欲望，使学生真正成为教学的主体。

二、梯度架构实验，让深度学习真实发生

深度学习即在教师的引导下，学生成为学习主体，思维深度参与课堂，进而建构生成新知识。在新课标的理念下，教师尤其要思考如何让学生的学习落到实处，即怎样设计问题以触及学生的思维，激发其潜在的积极性、主动性和创造性，从而使其能深度、主动地参与到教学的全过程，提升核心素养［1］。

笔者将“逻辑电路”实验课教学分为四个步骤：传知识（学基础理论知识）、激兴趣（设计情境实验现魔法）、授以“渔”（教授实验器材使用方法）、主探究（深度学习、探究知识）。在实验过程中，教师要通过适当的情境引入，有层次地提出问题，使学生在兴趣的持续激发中，把理论知识转化为实践，把创新意识转化为功能性实物。

有了学习兴趣才有学习动力。面包板是一种简易的电子实验工具，可极为便捷地搭载电子元器件，并结合常用的万用表、示波器等工具，完成从理论知识到实践应用的效果检验、知识积累，使学生在不断的实践与修改中形成扎实的理论基础和实际应用能力［2］。学生在完成一些基础理论知识的验证后，还可拓展制作一些与实际生活结合比较紧密的电路，如窗门开关的声光报警电路、下雨自动收衣服控制电路等。相比单纯地学习枯燥的理论，这更能激发学生的学习兴趣，推动学生去探寻和理解相关联的知识和元器件的特性。

根据实验目的和深入程度的不同，笔者结合深度学习目标，建构双塔型梯度实验模型（详见图1）。该模型分成四个层次，以下详细介绍。

图1 双塔型梯度实验模型

（一）基础目标：验证式实验，帮助理解和巩固课内理论知识

在这个阶段，教师需要确定通过什么样的内容来发展、提升学生的能力，即转化教学内容，提供恰当的“教学材料”。

电子控制技术应用能力的培养，需要长期的、不间断的、循序渐进式的经验和知识的积累。理论与实践相结合，动手与动脑相结合，是学习电子控制技术的最好方式。因此，在理论学习的基础上，笔者提供大量的、渐进式的实验项目让学生练习［3］。

例如，笔者让学生做74LS08的“输入信号A、B与输出信号F之间的关系”的验证实验：2个输入脚都接高电平，输出高电平；其中1 个输入脚接低电平，输出低电平。学生亲自动手实验来验证二者的逻辑关系，不仅加深了对这种逻辑关系的理解，也通过实验操作提升了兴趣，并且获得了对电子器件更为直观的认识、提升了动手能力。学生探究后得出如下结论。

（1）TTL 与门电路，输入脚悬空时类似于接高电平；（2）有1个输入脚接低电平，输出就是低电平，符合前面真值表（略）设计要求；（3）实验结果验证了理论推导的正确性；（4）实物门电路与电路符号存在微小的差异。

（二）递进目标：探究式实验，拓展、深挖教材内外知识点

苏霍姆林斯基说：“在人的心灵深处，都有一种根深蒂固的需要，就是希望自己是一个发现者、研究者，特别在儿童的精神世界中，这种需要特别强烈。”在教学中，笔者努力创造条件，让每个学生都能主动参与教学活动。笔者遵循学生的心理特征设计教学活动，让学生自己去发现兴趣、体会乐趣并建立自信。

笔者先设计情境并提出问题，让学生在解决问题的过程中产生探究的欲望，从而不断发现新问题并解决新问题，最终获得新知识。下面，笔者以《逻辑电路中多余的输入引脚如何处理》实验教学为例来讲解。

问题1：（1）上述电路在实际使用的过程中，如只需要1 个输入脚，要如何处理多余的引脚？（2）有如下四种情况：a.悬空；b.接高电平；c.接低电平；d.把2 只输入脚并接。那么，哪几种情况合适？

对前一个小问题，笔者引导学生通过理论推导来发现答案，即不用的引脚应该引入高电平。对后一个小问题，笔者让学生先推导可能的结果，然后通过做实验来验证。学生做完实验后发现，a、b、d 三种方法都可以。学生在做了“2个输入脚都接高电平，输出高电平”“2个输入脚都悬空，输出高电平”两个实验后，得出关于TTL与门电路的如下结论。

（1）输入脚悬空和输入脚接高电平，输出是一样的，悬空脚类似接了高电平；（2）输入的多余引脚接高电平或悬空，不影响其他引脚输入。

问题2：在或门的情况下，多余的引脚需要如何处理？

学生经实验操作（2 个输入脚都接低电平，输出低电平；1个输入脚接高电平，输出高电平；1 个输入脚悬空，输出高电平）发现，不同的门电路，多余脚的处理方法不一样，或门电路只有c、d 两种方法可以。对于TTL 或门电路，学生根据实验结果得出如下结论。

（1）验证了或门的逻辑结论，2 个输入都是低的时候输出低，只要有1 个输入高，输出就高；（2）悬空脚代表了高电平，因此不用的引脚需要接低电平。这和与门的悬空脚处理方法不一样。

问题3：现在我们使用的是TTL集成器件，如果采用cmos 集成器件来做与门、或门的实验，是否会有同样的效果？

笔者让学生选择CD4011 与非门来做实验。在实验过程中学生发现，只用其中1个引脚时，同样有如下四种情况：a.悬空；b.接高电平；c.接低电平；d.把输入二脚并接。此时只通过理论推算可知a、b、d三种方法都可以，但在实验过程中，许多学生发现了问题，结果和理论推算有出入。

问题4：悬空情况下，有些学生做出来的是“1”高电平，有些学生做出来的是“0”低电平，为何会出现这情况呢？

这个问题打开了学生的思考空间。笔者引导学生再做“2 个输入脚接高电平，输出低电平”“其中1 个输入脚悬空，输出高电平，表示悬空脚代表了低电平”两个实验，从实验得知：CD4011 与非门其中1 个输入脚悬空，另1个输入脚接高电平，输出就是高电平。由此可以推出悬空脚代表了低电平，这与在TTL中得到悬空脚代表了高电平的结果不一样。

在这一实验中，学生获得了cmos 集成块的CD4011扩展知识，并产生了新的疑问。

（1）悬空输入脚代表低电平；（2）使用cmos 集成块时，不用的引脚不可以悬空，一定要接高、低电位或并脚处理；（3）在实验焊接cmos 电路时，电烙铁需要在拔掉电源后才能焊接，否则电烙铁携带的静电可能击穿cmos器件；（4）是否能够利用cmos电路对静电的敏感性来制作静电探测的传感器？

因此，同样的悬空脚，在不同类型的电路中代表的意义是不一样的，这需要在实践中不断地获得和更新知识。其实，这类实验不能仅仅停留在看到的现象上，在多次实验中，学生往往能发现新问题，获得继续探索的动力。

（三）高阶目标：创新实验，培养创新设计能力

要使学生达成深度学习，教师需要引导学生主动地深挖知识、拓展知识、关联知识，获得知识的发展价值。

在学习了“触发器”这一知识点后，学生通过做实验来验证触发器具有触发、保持等功能。实验过程中，有学生发现用两个开关按钮可以控制一盏灯的亮灭，然后对这个概念开启了创新想法之旅：“能不能用三个开关来控制一盏灯呢？”他和周边几个学生交流，共同研究探索“用三个开关来控制一盏路灯，以适应在某种特定照明场合”的设计方法。该学生的设计详见图2，在这个电路中，SW1、SW2、SW3只要任意一个改变状态，就能改变LED 灯D1 的亮灭状态。

图2 “用三个开关来控制一盏灯”的设计方案

此电路的成功设计激发了学生的兴趣，打开了其创新思维的大门，他们后来又连续设计出了加法器、新型密码器等。通过实践，学生不但掌握了学科的知识体系，更重要的是提升了学科核心素养，形成了积极的内在学习动机，培养了正确的情感态度价值观，这些都有助于学生成为具有独立性、批判性、创造性和协作精神的人。

（四）社会目标：应用实验，培养学生的工程思维

电子技术最终要服务于具体的实物电路，要服务于企业和社会。工程思维是在不断实践的过程中积累和总结出来的，为产品加工生产、功能实现、维护及企业盈利等目标服务的一种思维，其最终目的是能在实践中应用。比如做两个触发器实验，其一采用1 个非门加2个或非门，其二采用3个或非门。从理论上分析，这两个电路图在运行后的实验结果是一样的，但实际电路却有较大的差异。后者与前者相比，有如下不同。

（1）多出来一块集成块；（2）增加了成本，在大批量生产时，成本增加显著；（3）挤占了印刷电路板的空间，特别是在微型化电路板中，紧缩空间更显重要；（4）增加了生产工序；（5）增加了维护难度。

因此，实际设计用电器实用电路时，需要在保持目标功能不受损的前提下，尽可能地做到结构精简、易于生产、节约成本、易维护，也就是说要迎合企业生存的追求目标。这就是一种工程思维。

三、搭建展示的舞台，培养创新型人才

通过实验活动让学生体会到学习是一件富有吸引力的事情，就能激发学生全身心地投入到有情感、有思想、有创造力的教学和探究活动中。

在教学实践中，通过购买价格便宜且操作简单、效果直观的面包板，将演示、实验等环节引入教学中，可轻松解决现有教学模式中的难懂、无趣等问题。这不仅可使学生真切地感受到教学内容在生活中的实际应用场景，进而充分调动其学习积极性与主动性，还能培养学生的创新意识、图样表达、物化能力等工程素养。

高中通用技术的培养目标是提高学生的技术素养，促进学生全面而有个性的发展。因此，通用技术课堂是开放的、创新的、实践的课堂。教师不能局限于在课堂教学中传授知识，而是更需要让学生在课外进行实践和创新活动，这是对学生技术素养的扩延和提升过程。教师还应通过展示、表扬、奖励等来肯定和激励学生的创新精神，帮助其巩固获得的技术素养。比如积极寻找各级各类科技创新比赛，鼓励学生参与，激发学生兴趣，给予学生自信，让学生带着任务目标在这些舞台上将学到的知识和自信尽情绽放、展示。而在平时的教学中，有一个最简单的帮助学生展示和巩固技术素养的路径，每位教师都可以做到，这就是：让学生以小组为单位，每组指派代表到讲台上讲解自己绘制的设计草图、展示制作的模型、讲解设计的创意特点，以此来提升学生的表达能力、思维方式、创新能力、物化能力等技术素养。长期坚持，我们就能造就有创新能力、实践能力的中国梦践行者。