“锚点”探究教学法的创新实践_户盼鹤.pdf

第 45 卷第 3 期2023 年 6 月电气电子教学学报Journal of Electrical and Electronic EducationVol 45No 3Jun 2023收稿日期:2021-12-17;修回日期:2022-04-24基金项目:湖南省普通高等学校教学改革研究重点项目(HNJG 2021 0001)第一作者:户盼鹤(1991)，男，博士，讲师，主要从事信号获取、处理与电路实现方面的教学和科研工作，E-mail:hupanhe13 nudt educn“锚点”探究教学法的创新实践户盼鹤潘嘉蒙刘振李德鑫(国防科技大学 电子科学学院，长沙 410073)摘要:结合教学实践研究“锚点”探究教学法在“电子技术基础”课程的应用，旨在以学生感兴趣的问题为基础，着力培养学生学习的主动性，将学习过程转化为在教师引导下的“再创造”过程。通过“引锚 探锚 固锚 悟锚 省锚”开展新型开放式的教学模式研究，实现单稳态触发器教学内容的一体化设计，引导学生自主建构知识体系，提升其电路分析、设计和应用实践能力。关键词:“锚点”探究;单稳态触发器;电子技术中图分类号:G423文献标识码:A文章编号:1008-0686(2023)03-0189-04Innovative Practice of“Anchor”Inquiry Teaching MethodHU PanhePAN JiamengLIU ZhenLI Dexin(College of Electronic Science，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)Abstract:This paper studies the application of“anchor”inquiry teaching method in Electronic Technology Fundamentals coursein combination with teaching practice，aiming at cultivating students learning initiative on the basis of interests，and transforminglearning process into“re-creation”process under the guidance of teachers We carry out the research of a new and open teachingmode through“anchor-introduction，anchor-exploration，anchor-consolidation，anchor-introspection and anchor-comprehending”，and integrate the teaching content of monostable triggers to guide students to build knowledge independently，and improve thepractical ability of circuit analysis，design and applicationKeywords:“anchor”inquiry;monostable trigger;electronic technology“锚点”探究教学法源于建构主义教学理论，认为教学是为学生创设理想的学习情境，激发学生开展推理、分析，并提供适当帮助和支持，促进其自身建构意义以及解决问题的活动1。“锚点”探究教学法通过设计与教学内容相匹配的“锚点”，引发学生兴趣与探索欲，使学生能够围绕“锚”主动地、有效地学习，通过合作与探究去获取知识、应用知识、解决“锚点”问题。“电子技术基础”课程是工科专业的一门重要技术基础课，与工程实际联系紧密，对相关学科领域(光电、计算机、自动化、航天等)的发展具有重要支撑作用。目前，面对新工科人才培养和不断升级的产业人才需求，“电子技术基础”课程的教学目标不仅要让学生掌握理论知识，更要培养学生将所学知识有效运用于发现问题、分析问题与解决问题的能力2。因此，为进一步凸显课程的高阶性，本文开展“锚点”探究教学法在“电子技术基础”课程的应用研究。以单稳态触发器为锚点，通过“引锚”“探锚”“固锚”“悟锚”与“省锚”环节对单稳态触发器的功能、原理与应用进行一体化教学设计，打通理论 仿真 实践的关键链路。教学实践表明，该方法有助于加深学生对于实际问题的认知理解，激发学生解决现实问题的兴趣，培养学生勇于探索的创新精神，提升学生解决工程问题的实践能力。1单稳态触发器应用 引锚碎甲弹是反坦克、反装甲的常用武器，主要由弹壳、延时引信和炸药三部分构成3。其中，延时引信的工作原理与单稳态触发器电路密切相关。因此，可结合“电子技术基础”课程的丰富内涵，从碎甲弹与单稳态触发器的关联作为引锚，展开碎甲弹在战争中应用的背景想定，激发学生学习单稳态触发器电路知识的兴趣。教学过程中，首先以问题为引入，使学生思考在战争中有哪些反坦克、反装甲的措施。然后，通过视频动画演示碎甲弹攻击坦克的过程，引导学生关注延时引信在碎甲弹工作过程中发挥的重要作用。进一步，通过电子技术的内涵引出如何搭建单稳态触发器电路实现延时功能，以此作为本次课程的“锚点”。最后，结合时序逻辑器件 555 定时器讲解单稳态触发器的构成和原理。因此，在“引锚”环节创设一个与教学内容相适应的课堂情景，使学生带着兴趣学习知识，进而以良好的求知心理参与新知识的探索与发现。2单稳态触发器原理 探锚2 1教学思路“探锚”是课堂教学的核心环节，引导学生从被动的、压抑的状态中走出来，自主选择，自由构建4。教学过程中，通过随堂测试引导学生回顾电压比较器、S 触发器相关知识。在此基础上，讲解555 定时器的内部结构，推导 555 定时器对应的功能表，使学生进一步掌握 555 定时器的坐标系状态矩阵。然后以 555 定时器为核心，通过电路生长的理念得到单稳态触发器，讲解单稳态触发器的工作原理。结合坐标系状态矩阵，绘制 555 定时器外接定时电容电压变化以及输出电压波形，深入理解单稳态触发器的工作原理。接着，研究碎甲弹延时引信的工作过程，进一步培养学生 555 定时器电路的分析能力。最后，结合仿真电路原理图和演示验证电路板实物进行半实物仿真实验以检验理论分析的正确性。因此，在“探锚”环节，首先要明确教学思路，即如何通过 555 定时器来实现原理性的延时功能，使学生深入学习 555 定时器构成的单稳态触发器。然后，根据学生的认知水平和能力，围绕教学目标，紧扣重难点，开展螺旋式层进教学，使学生不再是被动知识的接受者，而成为学习、理解、探索和应用等主动知识的参与者。2 2教学内容1)555 定时器结构与功能在电子技术领域，最典型的时序逻辑器件 555定时器可实现延时功能。因此，教学内容可通过讲解 555 定时器的原理性延时功能，引导学生学习555 定时器构成的单稳态触发器5。555 定时器结构图如图 1 所示。图 1555 定时器结构教学过程中，以电压比较器与 S 触发器为核心器件，讲解 555 定时器结构图，将其划分为分压器、比较器、S 触发器、反相输出四个模块，逐一讲解每个模块实现的功能，并介绍 555 定时器 8 个管脚的功能及与内部电路的连接关系。进一步，将前两级归为模拟电路，后两级为数字电路，引导学生分析模拟部分的输入与输出之间的关系，数字部分输入与输出的逻辑关系。在此基础上，通过级联获取最终的 555 定时器功能表，如表 1 所示。表 1555 定时器功能表V6V2V0TD2/3VCC1/3VCC1截止2/3VCC1/3VCC0导通2/3VCC1/3VCC保持保持根据上述功能表，可绘制 555 定时器的坐标系状态矩阵，如图 2 所示。图 2555 定时器坐标系状态对比坐标系状态矩阵的简洁性与前述针对电路内部结构逻辑分析的复杂性，体现了内电路与外特性的辩证统一，实现电子技术基础课程“工作点”支线的延伸。2)单稳态触发器工作原理091电气电子教学学报第 45 卷在得到 555 定时器的功能表之后，进一步以555 定时器为核心，通过电路生长的理念，绘制出单稳态触发器电路，分析稳态和暂稳态之间翻转的过程，讲解单稳态触发器的工作原理。单稳态触发器电路如图 3 所示。可以看出，单稳态触发器电路的核心是 555 定时器，其中 1 管脚接地，2 管脚接输入，3 管脚接输出，4 管脚接电源，5 管脚通过电容接地，6 管脚和 7 管脚接 C 定时回路中间，8 管脚接电源。图 3单稳态触发器电路针对单稳态触发器电路，进一步延伸电子技术基础课程中“工作点”支线，利用图中的坐标系状态矩阵，以 V2和 V6为工作点的坐标，研究分析单稳态触发器的工作过程。工作点在不同状态下的移动时，可得到对应的电容电压变化和输出波形的变化。基于该输出波形，可分析单稳态触发器电路延时自动翻转回稳态的原理，建立起电路中参数与延时时间的对应关系。根据以上分析可知，单稳态触发器工作时只有一个稳定状态和一个暂稳态。在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。由于电路中 C 定时回路的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于 C 的参数值。因此，对于单稳态触发器电路，根据输入信号的变化，分析其中对应的比较器、S 触发器的输出和三极管的状态，即可理解单稳态触发器电路实现延时功能的原理。3半实物仿真验证 固锚教学最重要的是学生得到了什么，而教学内容的掌握是学习所得的一个重要方面。因此，在“固锚”环节通过将理论知识与半实物仿真结合，让学生将理论知识具象化，为能力的发展、素养的形成提供支撑。教学过程中，在碎甲弹延时引信原理电路的基础上，需要进一步设计单稳态触发器演示验证电路巩固学生对知识的理解。在仿真电路中通过开关虚拟触发信号，通过发光二极管指示输出状态，进而焊接形成演示验证电路板。图 4 和图 5 分别是单稳态触发器仿真电路原理图和演示验证电路板实物图。图 4单稳态触发器仿真电路图 5单稳态触发器电路板实物将演示验证电路板接入口袋实验箱，通过虚拟示波器观察输入信号波形、电容两端电压、输出信号波形变化，以及输出端指示灯的亮起情况，验证理论分析的正确性。进一步，调整定时回路中的电位器，观察对应的暂稳态时长，验证暂稳态时长的计算。图 6 为口袋实验箱虚拟示波器波形显示结果。图 6虚拟示波器波形显示结果4电路生长与功能分析 悟锚“悟锚”是紧扣教学内容，着眼于学生对单稳态触发器电路生长和功能分析的理解、感悟、完善和提升，培养学生高价思维和引导思政教育，形成知识 思政交叉融合式课堂教学。191第 3 期户盼鹤，等:“锚点”探究教学法的创新实践4 1高阶思维培养在单稳态触发器工作原理基础上，回扣“引锚”环节的碎甲弹应用，建立碎甲弹工作过程与原理电路中输入信号、输出信号之间的对应关系，并通过设问方式，启发引导学生研究分析单稳态触发器实现碎甲弹延时引信的工作原理。同时，在“悟锚”环节，还可以启发学生思考其他单稳态触发器应用场景。例如，研究分析日常生活中的走廊延时照明电路。这样从另外一个视角，对比分析走廊延时照明电路与碎甲弹延时引信电路的异同点，加深学生对单稳态触发器电路的理解，在课堂教学基础性与技术发展前沿性的辩证统一上，培养学生的高阶思维能力。4 2思政教育引导思政教育引导通常是从大思政格局出发，需要明确专业课程的主导地位，同时发挥课程思政与专业课程的知识、能力、情感态度和价值观教育的一体化作用，做到价值塑造与能力培养、知识传授的有机统一。因此，教学过程中通过 555 定时器形成单稳态触发器电路，培养学生电路生长的理念;通过半实物仿真培养学生严谨的科学态度及“需求 建模 分析 结论 验证 应用”的科研思维;通过拓展作业与阅读，使学生进一步了解单稳态触发器在国防领域的应用，凸显“小