搭建雙塔型梯度實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，讓深度學(xué)習(xí)真實(shí)發(fā)生
——通用技術(shù)“邏輯電路”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)探索

章亞鈞|浙江省新昌中學(xué)

電子控制技術(shù)是高中通用技術(shù)課程的重要內(nèi)容，而在課程實(shí)施中，學(xué)生對(duì)這一內(nèi)容的學(xué)習(xí)存在自主性和創(chuàng)新性缺乏、動(dòng)手實(shí)踐能力弱等問(wèn)題。電子控制技術(shù)知識(shí)來(lái)源于生活和工作實(shí)踐，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性以及廣泛的應(yīng)用性，因此在理論教學(xué)中融入生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行一體化教學(xué)，能夠起到事半功倍的教學(xué)效果。以下是筆者在“邏輯電路”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中通過(guò)搭建雙塔型梯度實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥屔疃葘W(xué)習(xí)真實(shí)發(fā)生的探索。

一、徒手控?zé)?，激發(fā)興趣

在課堂教學(xué)的導(dǎo)入環(huán)節(jié)，筆者利用cmos邏輯集成塊設(shè)計(jì)二極管亮燈實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，筆者走近電路，LED 燈被點(diǎn)亮，遠(yuǎn)離電路則該燈熄滅。筆者讓學(xué)生上前體驗(yàn)，也能發(fā)生這種現(xiàn)象，而且學(xué)生穿著的衣服材質(zhì)不同，能點(diǎn)亮LED燈的距離也不同。由此，筆者啟發(fā)學(xué)生思考：為何會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，筆者秉承給予學(xué)生“漁”的方法，設(shè)置可以讓學(xué)生親身體驗(yàn)的場(chǎng)景，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)際體驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。這不僅激發(fā)了學(xué)生的興趣，還使學(xué)生經(jīng)歷了知識(shí)的發(fā)現(xiàn)與建構(gòu)過(guò)程，并在發(fā)現(xiàn)神奇事物的過(guò)程中點(diǎn)燃了其思考、探索的欲望，使學(xué)生真正成為教學(xué)的主體。

二、梯度架構(gòu)實(shí)驗(yàn)，讓深度學(xué)習(xí)真實(shí)發(fā)生

深度學(xué)習(xí)即在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生成為學(xué)習(xí)主體，思維深度參與課堂，進(jìn)而建構(gòu)生成新知識(shí)。在新課標(biāo)的理念下，教師尤其要思考如何讓學(xué)生的學(xué)習(xí)落到實(shí)處，即怎樣設(shè)計(jì)問(wèn)題以觸及學(xué)生的思維，激發(fā)其潛在的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，從而使其能深度、主動(dòng)地參與到教學(xué)的全過(guò)程，提升核心素養(yǎng)［1］。

筆者將“邏輯電路”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)分為四個(gè)步驟：傳知識(shí)（學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)）、激興趣（設(shè)計(jì)情境實(shí)驗(yàn)現(xiàn)魔法）、授以“漁”（教授實(shí)驗(yàn)器材使用方法）、主探究（深度學(xué)習(xí)、探究知識(shí)）。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師要通過(guò)適當(dāng)?shù)那榫骋耄袑哟蔚靥岢鰡?wèn)題，使學(xué)生在興趣的持續(xù)激發(fā)中，把理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐，把創(chuàng)新意識(shí)轉(zhuǎn)化為功能性實(shí)物。

有了學(xué)習(xí)興趣才有學(xué)習(xí)動(dòng)力。面包板是一種簡(jiǎn)易的電子實(shí)驗(yàn)工具，可極為便捷地搭載電子元器件，并結(jié)合常用的萬(wàn)用表、示波器等工具，完成從理論知識(shí)到實(shí)踐應(yīng)用的效果檢驗(yàn)、知識(shí)積累，使學(xué)生在不斷的實(shí)踐與修改中形成扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用能力［2］。學(xué)生在完成一些基礎(chǔ)理論知識(shí)的驗(yàn)證后，還可拓展制作一些與實(shí)際生活結(jié)合比較緊密的電路，如窗門(mén)開(kāi)關(guān)的聲光報(bào)警電路、下雨自動(dòng)收衣服控制電路等。相比單純地學(xué)習(xí)枯燥的理論，這更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，推動(dòng)學(xué)生去探尋和理解相關(guān)聯(lián)的知識(shí)和元器件的特性。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蜕钊氤潭鹊牟煌P者結(jié)合深度學(xué)習(xí)目標(biāo)，建構(gòu)雙塔型梯度實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄔ斠?jiàn)圖1）。該模型分成四個(gè)層次，以下詳細(xì)介紹。

圖1 雙塔型梯度實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

（一）基礎(chǔ)目標(biāo)：驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)，幫助理解和鞏固課內(nèi)理論知識(shí)

在這個(gè)階段，教師需要確定通過(guò)什么樣的內(nèi)容來(lái)發(fā)展、提升學(xué)生的能力，即轉(zhuǎn)化教學(xué)內(nèi)容，提供恰當(dāng)?shù)摹敖虒W(xué)材料”。

電子控制技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，需要長(zhǎng)期的、不間斷的、循序漸進(jìn)式的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的積累。理論與實(shí)踐相結(jié)合，動(dòng)手與動(dòng)腦相結(jié)合，是學(xué)習(xí)電子控制技術(shù)的最好方式。因此，在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，筆者提供大量的、漸進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目讓學(xué)生練習(xí)［3］。

例如，筆者讓學(xué)生做74LS08的“輸入信號(hào)A、B與輸出信號(hào)F之間的關(guān)系”的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：2個(gè)輸入腳都接高電平，輸出高電平；其中1 個(gè)輸入腳接低電平，輸出低電平。學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證二者的邏輯關(guān)系，不僅加深了對(duì)這種邏輯關(guān)系的理解，也通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作提升了興趣，并且獲得了對(duì)電子器件更為直觀的認(rèn)識(shí)、提升了動(dòng)手能力。學(xué)生探究后得出如下結(jié)論。

（1）TTL 與門(mén)電路，輸入腳懸空時(shí)類似于接高電平；（2）有1個(gè)輸入腳接低電平，輸出就是低電平，符合前面真值表（略）設(shè)計(jì)要求；（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性；（4）實(shí)物門(mén)電路與電路符號(hào)存在微小的差異。

（二）遞進(jìn)目標(biāo)：探究式實(shí)驗(yàn)，拓展、深挖教材內(nèi)外知識(shí)點(diǎn)

蘇霍姆林斯基說(shuō)：“在人的心靈深處，都有一種根深蒂固的需要，就是希望自己是一個(gè)發(fā)現(xiàn)者、研究者，特別在兒童的精神世界中，這種需要特別強(qiáng)烈?！痹诮虒W(xué)中，筆者努力創(chuàng)造條件，讓每個(gè)學(xué)生都能主動(dòng)參與教學(xué)活動(dòng)。筆者遵循學(xué)生的心理特征設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)興趣、體會(huì)樂(lè)趣并建立自信。

筆者先設(shè)計(jì)情境并提出問(wèn)題，讓學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中產(chǎn)生探究的欲望，從而不斷發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題并解決新問(wèn)題，最終獲得新知識(shí)。下面，筆者以《邏輯電路中多余的輸入引腳如何處理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例來(lái)講解。

問(wèn)題1：（1）上述電路在實(shí)際使用的過(guò)程中，如只需要1 個(gè)輸入腳，要如何處理多余的引腳？（2）有如下四種情況：a.懸空；b.接高電平；c.接低電平；d.把2 只輸入腳并接。那么，哪幾種情況合適？

對(duì)前一個(gè)小問(wèn)題，筆者引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)理論推導(dǎo)來(lái)發(fā)現(xiàn)答案，即不用的引腳應(yīng)該引入高電平。對(duì)后一個(gè)小問(wèn)題，筆者讓學(xué)生先推導(dǎo)可能的結(jié)果，然后通過(guò)做實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，a、b、d 三種方法都可以。學(xué)生在做了“2個(gè)輸入腳都接高電平，輸出高電平”“2個(gè)輸入腳都懸空，輸出高電平”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)后，得出關(guān)于TTL與門(mén)電路的如下結(jié)論。

（1）輸入腳懸空和輸入腳接高電平，輸出是一樣的，懸空腳類似接了高電平；（2）輸入的多余引腳接高電平或懸空，不影響其他引腳輸入。

問(wèn)題2：在或門(mén)的情況下，多余的引腳需要如何處理？

學(xué)生經(jīng)實(shí)驗(yàn)操作（2 個(gè)輸入腳都接低電平，輸出低電平；1個(gè)輸入腳接高電平，輸出高電平；1 個(gè)輸入腳懸空，輸出高電平）發(fā)現(xiàn)，不同的門(mén)電路，多余腳的處理方法不一樣，或門(mén)電路只有c、d 兩種方法可以。對(duì)于TTL 或門(mén)電路，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論。

（1）驗(yàn)證了或門(mén)的邏輯結(jié)論，2 個(gè)輸入都是低的時(shí)候輸出低，只要有1 個(gè)輸入高，輸出就高；（2）懸空腳代表了高電平，因此不用的引腳需要接低電平。這和與門(mén)的懸空腳處理方法不一樣。

問(wèn)題3：現(xiàn)在我們使用的是TTL集成器件，如果采用cmos 集成器件來(lái)做與門(mén)、或門(mén)的實(shí)驗(yàn)，是否會(huì)有同樣的效果？

筆者讓學(xué)生選擇CD4011 與非門(mén)來(lái)做實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生發(fā)現(xiàn)，只用其中1個(gè)引腳時(shí)，同樣有如下四種情況：a.懸空；b.接高電平；c.接低電平；d.把輸入二腳并接。此時(shí)只通過(guò)理論推算可知a、b、d三種方法都可以，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，許多學(xué)生發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，結(jié)果和理論推算有出入。

問(wèn)題4：懸空情況下，有些學(xué)生做出來(lái)的是“1”高電平，有些學(xué)生做出來(lái)的是“0”低電平，為何會(huì)出現(xiàn)這情況呢？

這個(gè)問(wèn)題打開(kāi)了學(xué)生的思考空間。筆者引導(dǎo)學(xué)生再做“2 個(gè)輸入腳接高電平，輸出低電平”“其中1 個(gè)輸入腳懸空，輸出高電平，表示懸空腳代表了低電平”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)得知：CD4011 與非門(mén)其中1 個(gè)輸入腳懸空，另1個(gè)輸入腳接高電平，輸出就是高電平。由此可以推出懸空腳代表了低電平，這與在TTL中得到懸空腳代表了高電平的結(jié)果不一樣。

在這一實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生獲得了cmos 集成塊的CD4011擴(kuò)展知識(shí)，并產(chǎn)生了新的疑問(wèn)。

（1）懸空輸入腳代表低電平；（2）使用cmos 集成塊時(shí)，不用的引腳不可以懸空，一定要接高、低電位或并腳處理；（3）在實(shí)驗(yàn)焊接cmos 電路時(shí)，電烙鐵需要在拔掉電源后才能焊接，否則電烙鐵攜帶的靜電可能擊穿cmos器件；（4）是否能夠利用cmos電路對(duì)靜電的敏感性來(lái)制作靜電探測(cè)的傳感器？

因此，同樣的懸空腳，在不同類型的電路中代表的意義是不一樣的，這需要在實(shí)踐中不斷地獲得和更新知識(shí)。其實(shí)，這類實(shí)驗(yàn)不能僅僅停留在看到的現(xiàn)象上，在多次實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生往往能發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，獲得繼續(xù)探索的動(dòng)力。

（三）高階目標(biāo)：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力

要使學(xué)生達(dá)成深度學(xué)習(xí)，教師需要引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)地深挖知識(shí)、拓展知識(shí)、關(guān)聯(lián)知識(shí)，獲得知識(shí)的發(fā)展價(jià)值。

在學(xué)習(xí)了“觸發(fā)器”這一知識(shí)點(diǎn)后，學(xué)生通過(guò)做實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證觸發(fā)器具有觸發(fā)、保持等功能。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)用兩個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕可以控制一盞燈的亮滅，然后對(duì)這個(gè)概念開(kāi)啟了創(chuàng)新想法之旅：“能不能用三個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)控制一盞燈呢？”他和周邊幾個(gè)學(xué)生交流，共同研究探索“用三個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)控制一盞路燈，以適應(yīng)在某種特定照明場(chǎng)合”的設(shè)計(jì)方法。該學(xué)生的設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖2，在這個(gè)電路中，SW1、SW2、SW3只要任意一個(gè)改變狀態(tài)，就能改變LED 燈D1 的亮滅狀態(tài)。

圖2 “用三個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)控制一盞燈”的設(shè)計(jì)方案

此電路的成功設(shè)計(jì)激發(fā)了學(xué)生的興趣，打開(kāi)了其創(chuàng)新思維的大門(mén)，他們后來(lái)又連續(xù)設(shè)計(jì)出了加法器、新型密碼器等。通過(guò)實(shí)踐，學(xué)生不但掌握了學(xué)科的知識(shí)體系，更重要的是提升了學(xué)科核心素養(yǎng)，形成了積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)了正確的情感態(tài)度價(jià)值觀，這些都有助于學(xué)生成為具有獨(dú)立性、批判性、創(chuàng)造性和協(xié)作精神的人。

（四）社會(huì)目標(biāo)：應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維

電子技術(shù)最終要服務(wù)于具體的實(shí)物電路，要服務(wù)于企業(yè)和社會(huì)。工程思維是在不斷實(shí)踐的過(guò)程中積累和總結(jié)出來(lái)的，為產(chǎn)品加工生產(chǎn)、功能實(shí)現(xiàn)、維護(hù)及企業(yè)盈利等目標(biāo)服務(wù)的一種思維，其最終目的是能在實(shí)踐中應(yīng)用。比如做兩個(gè)觸發(fā)器實(shí)驗(yàn)，其一采用1 個(gè)非門(mén)加2個(gè)或非門(mén)，其二采用3個(gè)或非門(mén)。從理論上分析，這兩個(gè)電路圖在運(yùn)行后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一樣的，但實(shí)際電路卻有較大的差異。后者與前者相比，有如下不同。

（1）多出來(lái)一塊集成塊；（2）增加了成本，在大批量生產(chǎn)時(shí)，成本增加顯著；（3）擠占了印刷電路板的空間，特別是在微型化電路板中，緊縮空間更顯重要；（4）增加了生產(chǎn)工序；（5）增加了維護(hù)難度。

因此，實(shí)際設(shè)計(jì)用電器實(shí)用電路時(shí)，需要在保持目標(biāo)功能不受損的前提下，盡可能地做到結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、易于生產(chǎn)、節(jié)約成本、易維護(hù)，也就是說(shuō)要迎合企業(yè)生存的追求目標(biāo)。這就是一種工程思維。

三、搭建展示的舞臺(tái)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才

通過(guò)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)讓學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)是一件富有吸引力的事情，就能激發(fā)學(xué)生全身心地投入到有情感、有思想、有創(chuàng)造力的教學(xué)和探究活動(dòng)中。

在教學(xué)實(shí)踐中，通過(guò)購(gòu)買(mǎi)價(jià)格便宜且操作簡(jiǎn)單、效果直觀的面包板，將演示、實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)引入教學(xué)中，可輕松解決現(xiàn)有教學(xué)模式中的難懂、無(wú)趣等問(wèn)題。這不僅可使學(xué)生真切地感受到教學(xué)內(nèi)容在生活中的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)而充分調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、圖樣表達(dá)、物化能力等工程素養(yǎng)。

高中通用技術(shù)的培養(yǎng)目標(biāo)是提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生全面而有個(gè)性的發(fā)展。因此，通用技術(shù)課堂是開(kāi)放的、創(chuàng)新的、實(shí)踐的課堂。教師不能局限于在課堂教學(xué)中傳授知識(shí)，而是更需要讓學(xué)生在課外進(jìn)行實(shí)踐和創(chuàng)新活動(dòng)，這是對(duì)學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的擴(kuò)延和提升過(guò)程。教師還應(yīng)通過(guò)展示、表?yè)P(yáng)、獎(jiǎng)勵(lì)等來(lái)肯定和激勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新精神，幫助其鞏固獲得的技術(shù)素養(yǎng)。比如積極尋找各級(jí)各類科技創(chuàng)新比賽，鼓勵(lì)學(xué)生參與，激發(fā)學(xué)生興趣，給予學(xué)生自信，讓學(xué)生帶著任務(wù)目標(biāo)在這些舞臺(tái)上將學(xué)到的知識(shí)和自信盡情綻放、展示。而在平時(shí)的教學(xué)中，有一個(gè)最簡(jiǎn)單的幫助學(xué)生展示和鞏固技術(shù)素養(yǎng)的路徑，每位教師都可以做到，這就是：讓學(xué)生以小組為單位，每組指派代表到講臺(tái)上講解自己繪制的設(shè)計(jì)草圖、展示制作的模型、講解設(shè)計(jì)的創(chuàng)意特點(diǎn)，以此來(lái)提升學(xué)生的表達(dá)能力、思維方式、創(chuàng)新能力、物化能力等技術(shù)素養(yǎng)。長(zhǎng)期堅(jiān)持，我們就能造就有創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的中國(guó)夢(mèng)踐行者。