結(jié)合翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)與探究性學(xué)習(xí)的數(shù)字電路教學(xué)方法研究

宋彩霞，陳龍猛

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266109）

0 引 言

工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課涉及許多概念知識，教學(xué)目標(biāo)希望通過這些課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備工程師的專業(yè)推演能力。與記憶概念知識（以下簡稱知識）不同，工程師的專業(yè)推演能力包括思考、探索、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，以及根據(jù)經(jīng)驗決策、解決問題的專業(yè)能力[1-2]，是工程專業(yè)學(xué)生必須具備的關(guān)鍵技能。

但是，在實際授課過程中，教師要想在傳播知識的同時，提高學(xué)生的推演能力，具有挑戰(zhàn)性：① 為完成工程教育繁重知識的傳播以及調(diào)查研究復(fù)雜的任務(wù)，課堂時間往往顯得非常有限；② 學(xué)生對知識的深入理解，也就是獲得深度學(xué)習(xí)，一方面，只依靠通過課堂講解的方式是很難獲得的；另一方面，對于大多數(shù)教師來說，在課堂上進(jìn)行相關(guān)的討論是很困難的[3]。

翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)與探究式學(xué)習(xí)方式的結(jié)合可以很好地解決上述問題[4]。數(shù)字電路是工程專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其側(cè)重于通過對常用數(shù)字芯片、邏輯電路的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在掌握基本理論知識的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的工程系統(tǒng)能力[5]。與其他專業(yè)基礎(chǔ)課相比，具有理論性與工程實踐性“雙強(qiáng)”的特點。

1 翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)模式與探究性學(xué)習(xí)模式

1.1 利用翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)方法進(jìn)行概念基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)

Bergmann和 Sams在 Flipped Learning：Gateway to tudent engagement一書中說道，“翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)是一種教學(xué)方法，它通過把直接教學(xué)從群體學(xué)習(xí)空間轉(zhuǎn)移到個體學(xué)習(xí)空間，促使群體學(xué)習(xí)空間轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N教師引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用概念并創(chuàng)造性地進(jìn)行主題學(xué)習(xí)的動態(tài)交互的學(xué)習(xí)環(huán)境”[6]。顯然，翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)是個性化學(xué)習(xí)。時間的重新分配有助于教師與學(xué)生在面對面的情景內(nèi)參與更有價值的活動。因此需要學(xué)生在課前觀看視頻，否則在有限的課堂時間內(nèi)，學(xué)生很難參與有效的探究活動。

此外，Bergmann和Sams指出，翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)可以與許多其他的教學(xué)方法相結(jié)合[6]。同時，翻轉(zhuǎn)課堂和翻轉(zhuǎn)（翻轉(zhuǎn)式）學(xué)習(xí)這兩個術(shù)語不可混用，翻轉(zhuǎn)課堂只是實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)的一種模型，而且翻轉(zhuǎn)課堂中也并不一定會發(fā)生翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)。因此，翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)是“學(xué)習(xí)內(nèi)容的翻轉(zhuǎn)”，即“課中適合自主學(xué)習(xí)的內(nèi)容”和“課下適合群體學(xué)習(xí)的內(nèi)容”的顛倒[7]。根據(jù)修訂的布盧姆教育目標(biāo)層級，將“課中的低級學(xué)習(xí)目標(biāo)”和“課下的高級學(xué)習(xí)目標(biāo)”進(jìn)行翻轉(zhuǎn)[6]。這里所說的低級學(xué)習(xí)目標(biāo)包含記憶、理解；高級學(xué)習(xí)目標(biāo)包含應(yīng)用、分析、綜合、評價[8]。

要想成功實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)目標(biāo)，教學(xué)決策的作用將至關(guān)重要，如決定什么樣的知識將被提前傳遞，哪些內(nèi)容將與學(xué)生探討解決。為了在課堂上創(chuàng)造寶貴的面對面時間，筆者探討使用了探究式學(xué)習(xí)方法。

1.2 利用探究性學(xué)習(xí)方法獲得專業(yè)推演技能

探究式學(xué)習(xí)是一種教學(xué)方法，典型代表是美國教育學(xué)家布魯納針對傳統(tǒng)教學(xué)“倉庫理論”提出的“發(fā)現(xiàn)教學(xué)模式”[2]。探究式學(xué)習(xí)使學(xué)生有機(jī)會參與知識創(chuàng)造，促進(jìn)其獨(dú)立思考和智力成長，可通過借鑒其自身的經(jīng)驗和先前的知識，進(jìn)行探索實驗，為解決問題而進(jìn)行爭論等。在這個過程中，有利于學(xué)生建立批判性思維、分析和溝通技巧，并學(xué)會有效利用資源。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在現(xiàn)實教學(xué)中，教師獲得了一個新的角色：調(diào)解員/促進(jìn)者。教師幫助學(xué)生把容易獲取的信息轉(zhuǎn)化為知識，并巧妙地增加了教師參與學(xué)生思維過程的程度。教師通過使用團(tuán)隊協(xié)作或基于項目/問題的方式精心設(shè)計問題，來對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，而不是單純地向?qū)W生展示事實或給學(xué)生提供清晰的問題解決方案。因此，探究式學(xué)習(xí)的關(guān)鍵是要讓學(xué)生深入?yún)⑴c到專業(yè)知識的構(gòu)建活動中去，增加與同學(xué)協(xié)作以獲得問題解決方案的機(jī)會。課堂中的協(xié)作式學(xué)習(xí)可以鼓勵學(xué)生近距離與同學(xué)討論課程中的問題，支持學(xué)生的交流和挑戰(zhàn)學(xué)生的思維，提升其高層次的認(rèn)知思維，進(jìn)而鼓勵學(xué)生為自己的學(xué)習(xí)負(fù)責(zé)[9]，從而使所有學(xué)生都受益[10]。此外，這種探究式學(xué)習(xí)方法對糾正學(xué)生的錯誤概念，提高學(xué)生對基本概念的理解也十分有效。

2 數(shù)字電路課程教學(xué)方法的設(shè)計與實施

數(shù)字電路課程內(nèi)容多學(xué)時少，一般采用大班授課的形式，教師不能兼顧不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，學(xué)生遇到問題不便和教師及時溝通；另一方面，數(shù)字電路又是一門實踐性很強(qiáng)的課程，其側(cè)重于通過對常用數(shù)字芯片、邏輯電路的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在掌握基本理論知識的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計數(shù)字電路系統(tǒng)的能力，培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力、動手能力、團(tuán)隊合作能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。

因此，本課程的設(shè)計實施采用混合教學(xué)模式，即概念知識點采用翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)方式教學(xué)，涉及電路設(shè)計的部分采用探究式學(xué)習(xí)方式教學(xué)，數(shù)字電路課程具體的教學(xué)模式安排見表1。

表1 數(shù)字電路課程各章節(jié)教學(xué)模式設(shè)置

2.1 翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)方式

在課程開始前，教師將視頻錄像、動畫和授課幻燈片在精品課程網(wǎng)站發(fā)布，學(xué)生可以通過任何一臺電腦，在任何時間訪問精品課程網(wǎng)站上的課程內(nèi)容。為了鼓勵及約束學(xué)生在課前觀看視頻，教師在視頻的結(jié)尾部分會給出幾個題目，讓學(xué)生回答。此外，教師在課堂教學(xué)剛開始的幾分鐘內(nèi)，可隨機(jī)提問學(xué)生，所提問題就是視頻中的問題。通過以上方式，教師可以檢驗學(xué)生是否認(rèn)真觀看相關(guān)課程視頻。此外，筆者還設(shè)計了一個基于大數(shù)據(jù)的個性化自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，用來記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)軌跡，教師可以調(diào)閱查看哪些學(xué)生觀看了視頻，進(jìn)而鼓勵并督促所有學(xué)生在每節(jié)課前觀看剪輯。該系統(tǒng)目前正在測試階段，下學(xué)期將開始使用。在課堂上，教師總結(jié)本節(jié)課的知識點，給出問題與學(xué)生一起討論，如學(xué)生被要求使用代數(shù)化簡法或者卡諾圖化簡法化簡邏輯表達(dá)式，教師根據(jù)在化簡過程中容易出現(xiàn)的問題與學(xué)生討論解決。

2.2 翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)+探究式學(xué)習(xí)方式

當(dāng)教師講授到中規(guī)模數(shù)字電路或用芯片進(jìn)行電路設(shè)計的章節(jié)時，采用翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式教學(xué)。在課前，學(xué)生通過網(wǎng)站學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識，課堂的大部分時間則采取小組討論的方式進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)。為創(chuàng)造討論的環(huán)境，先要將學(xué)生進(jìn)行分組，每組由3名成績分別為優(yōu)秀、一般和較差的學(xué)生組成（學(xué)生學(xué)習(xí)成績是由平時課堂提問、作業(yè)情況以及結(jié)合上學(xué)期班級排名而得出的）。在課堂上，由教師給出選定問題，要求每個小組集體討論解決問題。這些問題一般是由實際生活中引出的，如學(xué)生比賽用的多路搶答器電路、定時器等。在此期間，教師也給每個小組提供了與其他小組分享解決方案的機(jī)會。

首先，讓學(xué)生在自己的團(tuán)隊中分享他們的解決方案，并討論選出最佳解決方案。待每個小組完成最佳解決方案后，2個小組可合并成1個臨時較大的組，從2個最佳解決方案中選出更佳的一個，而被選為更佳解決方案的團(tuán)隊會獲得更多積分。最終，在本學(xué)期的最后，選出整個學(xué)期最優(yōu)秀的團(tuán)隊或個人，教師從自己的項目中拿出一部分資金，給予學(xué)生一定的物質(zhì)獎勵。

其次，在每一組中計算測驗分?jǐn)?shù)的平均分和標(biāo)準(zhǔn)差。在課堂中，教師特別向?qū)W生強(qiáng)調(diào)，一個好的團(tuán)隊成績應(yīng)該是高平均分和低標(biāo)準(zhǔn)差，而不僅僅是高平均分。這個策略旨在鼓勵學(xué)生合作討論與解決問題，共同提高專業(yè)水平。這實際上也符合工程認(rèn)證的“全體原則”標(biāo)準(zhǔn)，即要求以全體學(xué)生為中心，所有的學(xué)生都必須滿足認(rèn)證的12條標(biāo)準(zhǔn)[11]。在小組討論解決問題的過程中，教師無需提供直接的解決方案，其主要工作是管理時間，鼓勵學(xué)生相互合作，并觀察每個小組合作過程。

這種特意的分組與考察方式是出于3方面的考慮：①學(xué)生的多元化學(xué)習(xí)能力，即學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的差異；②目前國內(nèi)的一些大學(xué)生在參與討論和分享他們的想法方面一般都是被動的，他們通常都是從教師的講課中被動接受知識。因此，鼓勵參與集體協(xié)作討論解決問題，對于鼓勵探究式學(xué)習(xí)至關(guān)重要；③給予物質(zhì)獎勵，更是一種精神鼓勵，且可以培養(yǎng)學(xué)生的競爭意識。

3 教學(xué)效果考核和評價

學(xué)習(xí)評價包含學(xué)生成績與學(xué)生調(diào)查兩部分。

3.1 學(xué)生成績

學(xué)生成績是對學(xué)生課程的掌握程度進(jìn)行的客觀評價，分為形成性評估（在每次課堂作業(yè)之后）與總結(jié)性評估（期中與期末考試），采用論文、期中考試、期末考試、案例研究、課堂展示、課后作業(yè)、實驗情況等多元化的評估形式。評估方式的多元化構(gòu)成有效避免了考試之前的突擊式學(xué)習(xí)，大大減少了學(xué)生之間抄襲作業(yè)的惡習(xí)[12]，突出了自主協(xié)作學(xué)習(xí)的重要性。

在教學(xué)實踐中，筆者對2016級的電子信息工程專業(yè)學(xué)生（71人）采用了翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)與探究性學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式授課，對2016級的通信工程專業(yè)學(xué)生（77人）采用了傳統(tǒng)的課堂授課方式。這2個專業(yè)在學(xué)習(xí)數(shù)字電路之前，開設(shè)的基礎(chǔ)課程幾乎相同，而且專業(yè)背景與學(xué)生能力也相似。除此之外，這2個專業(yè)的共同點還體現(xiàn)在：①精品課程網(wǎng)站上所有的資料對這2個專業(yè)的學(xué)生都是開放的；②邀請了2名2015級通信工程學(xué)生對這2個專業(yè)的學(xué)生做了2場報告（這2名學(xué)生是學(xué)院創(chuàng)新小組成員，參加過全國、省級或者校級的各類電子設(shè)計比賽，有豐富的參賽與完成設(shè)計項目的經(jīng)驗），他們報告的主題圍繞如何學(xué)習(xí)數(shù)字電路課程、數(shù)字電路在后續(xù)課程中的地位與作用展開；③數(shù)字電路課程對于這2個專業(yè)來說，采用相同的教材，有相同的課堂課時?？荚囉玫氖峭环菰嚲?，試卷最后一個大題是選做題，從中選出一道題目進(jìn)行解答，選做題是綜合類的設(shè)計題，涉及的知識點比較多。

從最終的考試成績來看，采用翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)與探究性學(xué)習(xí)相結(jié)合授課方式的學(xué)生的期末成績平均分高于傳統(tǒng)教學(xué)班級的學(xué)生5.76分。其標(biāo)準(zhǔn)差，采用翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)與探究性學(xué)習(xí)相結(jié)合授課方式班的為15.32，傳統(tǒng)課堂的班級的標(biāo)準(zhǔn)差為17.28。

3.2 學(xué)生調(diào)查

學(xué)生態(tài)度調(diào)查是從學(xué)生的主觀角度出發(fā)，對翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)與探究性學(xué)習(xí)相結(jié)合方式的教學(xué)效果進(jìn)行的調(diào)查。通過調(diào)查，筆者整理出的幾項反饋意見：①創(chuàng)新小組學(xué)員的報告幫助了解數(shù)字電路的實際應(yīng)用；②教師在課堂開始的提問會促使課前預(yù)習(xí)；③每次觀看視頻時，一般都會反復(fù)看上幾次；④課前觀看視頻，感覺在課堂上就可以有時間和機(jī)會與同學(xué)討論；⑤為了跟上同學(xué)，每次課前都堅持觀看視頻，為了能夠參加小組討論，必須每周堅持學(xué)習(xí)，不要拖延；⑥在這門課上可以說話了，不會再沉默了；⑦原來生活中遇到的許多問題，可以用學(xué)到的數(shù)字電路知識解決；⑧感覺自己與學(xué)習(xí)好的同學(xué)的距離在縮短。

通過學(xué)生反饋可以看出，每堂課之前的視頻觀看，可以使教師留出更多的課堂時間給學(xué)生討論。學(xué)生可以隨時看、反復(fù)看，特別是在他們需要提高理解力時可方便地觀看剪輯，有助于他們?yōu)槠谥锌荚嚮蚱谀┛荚囎龊脺?zhǔn)備。

其次，通過讓學(xué)生集體承擔(dān)學(xué)習(xí)責(zé)任，并為他們提供更多與同學(xué)交流的機(jī)會，促進(jìn)了探究式學(xué)習(xí)的討論。頻繁地溝通和集體學(xué)習(xí)是加深學(xué)生對數(shù)字電路課程內(nèi)容理解、運(yùn)用的有效途徑。課堂上進(jìn)行的小組討論，使學(xué)生開始感受到學(xué)習(xí)的集體責(zé)任，促使他們積極與小組成員之間討論問題，并分享不同的方案，以便找到更好的解決方案，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。對于教師，成績的低標(biāo)準(zhǔn)差是相當(dāng)有意義的，與提高平均分?jǐn)?shù)一樣，因為它表明高成績學(xué)生與低成績學(xué)生之間的學(xué)習(xí)差距正在減小。

4 授課方式對教師的要求

4.1 心中有學(xué)生，從學(xué)生的視角設(shè)計教學(xué)

項目主題的選擇、實施方案的設(shè)計、所需材料的選取等，都應(yīng)以學(xué)生主體來設(shè)計與選擇，教師不應(yīng)包辦代替。教師不提供直接的解決方案，尊重學(xué)生自己的選擇。學(xué)生從自己生活的經(jīng)驗世界中，利用所學(xué)知識，尋求解決方案，使探究式學(xué)習(xí)變得真正有意義與價值。

4.2 心中有生活，從生活中發(fā)現(xiàn)教學(xué)實例

從實際生活或是科研中發(fā)現(xiàn)適合的工程項目，將其引入教學(xué)作為配套項目，不需要占用過多的課堂時間就可以讓學(xué)生理解項目的主要功能。項目的選擇應(yīng)兼具趣味性與知識性，如在課堂授課中用到的“多路智力競賽搶答器”就是從學(xué)校的各種競賽中受到啟發(fā)，學(xué)校經(jīng)常組織各種知識競賽，學(xué)生對此比較熟悉，也比較感興趣。用學(xué)過的知識自己設(shè)計一個搶答器，既可以把知識轉(zhuǎn)化為成果使用，又能實現(xiàn)所做即所見，進(jìn)而達(dá)到學(xué)以致用的目的。

4.3 心中有地位，重在引導(dǎo)、管理、協(xié)調(diào)

在教學(xué)過程中，教師要明確學(xué)生是主體，教師發(fā)揮的是主導(dǎo)作用。在教學(xué)過程中，教師要給學(xué)生提供必要的幫助和指導(dǎo)，使學(xué)生在探究中能明確方向，讓學(xué)生集體承擔(dān)學(xué)習(xí)責(zé)任。教師鼓勵和指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性地開展工作，教師可以通過電話、QQ 群、微信等電子手段和平臺對學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)行有針對性的指導(dǎo)和監(jiān)控。要創(chuàng)設(shè)以“學(xué)”為中心的探究學(xué)習(xí)環(huán)境，有民主和諧的課堂氣氛，使學(xué)生很少感到有壓力?？傊@種環(huán)境要使學(xué)生真正有獨(dú)立探究的機(jī)會和愿望，而不是被教師直接引向問題的答案。

5 結(jié) 語

翻轉(zhuǎn)式學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)的結(jié)合使用有助于提高工程專業(yè)的學(xué)生成績。可以使他們獲得更多的知識，并鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)的集體責(zé)任，促使學(xué)生深度學(xué)習(xí)，這些都為以后的工作實踐打下了良好的基礎(chǔ)。