基于PBL模式的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)與實(shí)施

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)少，以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相互獨(dú)立、缺乏系統(tǒng)性、整體性和連貫性等問(wèn)題，基于項(xiàng)目式教學(xué)理念，設(shè)計(jì)了數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。該方案以“交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)”為例，結(jié)合學(xué)生認(rèn)知水平和大綱要求，設(shè)置了與教學(xué)大綱緊密相連又相互關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，在一學(xué)期的五次實(shí)驗(yàn)課中開(kāi)展成果演示、交流評(píng)價(jià)、總結(jié)反思等活動(dòng)。實(shí)施效果表明，基于PBL的教學(xué)模式能夠極為有效地實(shí)現(xiàn)教學(xué)大綱所要求的知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感與價(jià)值觀三維教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：PBL；數(shù)字電子技術(shù)；綜合性案例；教學(xué)

2019年11月，習(xí)近平總書(shū)記在全軍院校長(zhǎng)集訓(xùn)開(kāi)班儀式上強(qiáng)調(diào)，要全面貫徹新時(shí)代軍事教育方針，全面實(shí)施人才強(qiáng)軍戰(zhàn)略，全面深化軍隊(duì)院校改革創(chuàng)新，把培養(yǎng)人才擺在更加突出的位置，培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)專業(yè)化新型軍事人才。在高素質(zhì)專業(yè)化新型軍事人才隊(duì)伍中，科技與工程人才是軍隊(duì)信息化建設(shè)的中堅(jiān)力量，對(duì)軍隊(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。數(shù)字電子技術(shù)課程作為高等院校電子類、控制類等工科專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力有著十分重要的作用。課題組前期已嘗試實(shí)踐了翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下混合式教學(xué)模式，但依然存在如驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)偏多、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少，且各個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相互獨(dú)立、缺乏系統(tǒng)性、整體性和連貫性等問(wèn)題，不利于學(xué)生構(gòu)建數(shù)字電子技術(shù)的知識(shí)脈絡(luò)，也不能有效提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。課題組通過(guò)調(diào)研MIT、斯坦福、奧爾堡等國(guó)際一流大學(xué)的工科類課程實(shí)施模式，發(fā)現(xiàn)基于PBL（Problem-Based Learning，問(wèn)題導(dǎo)向）模式在激發(fā)學(xué)生興趣、構(gòu)建學(xué)生工程觀念、提高實(shí)踐創(chuàng)新能力、培養(yǎng)合作溝通能力等方面效果顯著。因此，本文闡述了基于PBL模式的數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。

一、PBL教學(xué)模式

PBL項(xiàng)目式教學(xué)源于教育學(xué)家杜威提出的“做中學(xué)”教育理念，主要是指在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生通過(guò)一個(gè)完整項(xiàng)目的選題、設(shè)計(jì)、執(zhí)行、評(píng)估全過(guò)程，對(duì)于某個(gè)產(chǎn)品或項(xiàng)目進(jìn)行全方位的學(xué)習(xí)與理解。其對(duì)人才可持續(xù)性發(fā)展的定位及獨(dú)特的教學(xué)模式，與工業(yè)時(shí)代人才需求和工科類課程教育發(fā)展趨勢(shì)不謀而合。工科類課程通常設(shè)置若干實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，基于PBL的教學(xué)模式使各實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間建立聯(lián)系，以項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)為大方向，每節(jié)實(shí)驗(yàn)都是總體項(xiàng)目中的一個(gè)模塊。在完成所有實(shí)驗(yàn)后，協(xié)同各模塊構(gòu)建總體項(xiàng)目，最終完成課程實(shí)踐項(xiàng)目的全部?jī)?nèi)容?；赑BL的數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于學(xué)生在實(shí)踐中內(nèi)化知識(shí)之間的聯(lián)系，強(qiáng)化邏輯思維，構(gòu)建系統(tǒng)思維，培養(yǎng)合作和創(chuàng)新意識(shí)。

二、基于PBL模式的數(shù)字電子技術(shù)課程案例設(shè)計(jì)

基于PBL模式的教學(xué)需要設(shè)計(jì)一個(gè)綜合性的實(shí)踐項(xiàng)目，該項(xiàng)目的各個(gè)模塊內(nèi)容需要與教學(xué)大綱各章節(jié)內(nèi)容緊密結(jié)合，即將各章節(jié)知識(shí)和技能、過(guò)程與方法有機(jī)地融入各模塊中；各模塊的難度設(shè)置需適宜，既要符合學(xué)生的認(rèn)知水平，又要具有一定的挑戰(zhàn)性。“交通信號(hào)燈控制電路”的構(gòu)造過(guò)程，涉及邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時(shí)序邏輯電路、脈沖產(chǎn)生與變換等數(shù)字電子技術(shù)各章節(jié)內(nèi)容，將其作為綜合性實(shí)踐項(xiàng)目，有助于學(xué)生有效掌握各章節(jié)的基本知識(shí)與電路應(yīng)用技能。此外，其系統(tǒng)化的構(gòu)造理念又在塑造學(xué)生工程思維和系統(tǒng)思維方面有著極高的價(jià)值。因此，本文以“交通信號(hào)燈控制電路”為例，完成了基于PBL模式的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)。

（一）教學(xué)設(shè)計(jì)

總體教學(xué)目標(biāo)分為三個(gè)維度：在知識(shí)與技能維度，使學(xué)生能夠掌握數(shù)字電子技術(shù)基本概念、基本方法和基本電路原理；在過(guò)程與方法維度，使學(xué)生能夠靈活運(yùn)用典型中規(guī)模芯片和硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯功能；在情感與價(jià)值觀維度，要求學(xué)生能夠在電路調(diào)試過(guò)程中建立工程觀和系統(tǒng)觀，激發(fā)學(xué)生參與科技類競(jìng)賽的熱情。圖1為“交通信號(hào)燈控制電路”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框圖，該實(shí)驗(yàn)可分為狀態(tài)譯碼電路、狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路、倒計(jì)時(shí)及顯示電路、秒脈沖發(fā)生電路四個(gè)模塊，各模塊內(nèi)容與教學(xué)大綱中的組合邏輯電路、觸發(fā)器、時(shí)序邏輯電路、脈沖電路整形與產(chǎn)生四個(gè)章節(jié)對(duì)應(yīng)。

該案例中每個(gè)模塊均通過(guò)運(yùn)用對(duì)應(yīng)章節(jié)的基本概念和方法設(shè)計(jì)電路功能，對(duì)基本電路的實(shí)現(xiàn)能夠達(dá)到知識(shí)與技能維度的教學(xué)目標(biāo)；每個(gè)模塊還設(shè)置了以典型中規(guī)模芯片應(yīng)用為依托的進(jìn)階任務(wù)和以FPGA為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的拔高任務(wù)，通過(guò)分析任務(wù)、解決問(wèn)題、仿真調(diào)試電路能夠達(dá)到過(guò)程與方法維度教學(xué)目標(biāo)；最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)要求將各模塊聯(lián)合調(diào)試，構(gòu)建符合生活實(shí)際的交通信號(hào)燈控制電路，通過(guò)教師點(diǎn)撥啟發(fā)、學(xué)生評(píng)價(jià)、反思總結(jié)等活動(dòng)達(dá)到情感與價(jià)值觀維度的教學(xué)目標(biāo)。

（二）各實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

交通信號(hào)燈控制電路總體設(shè)計(jì)要求是實(shí)現(xiàn)十字路口東西方向的交通燈與南北方向的交通燈按照生活中常見(jiàn)的模式自動(dòng)工作，具體要求為：（1）南北和東西車輛交替進(jìn)行，各通行時(shí)間30秒。（2）每次綠燈轉(zhuǎn)為紅燈前，黃燈閃爍3秒。（3）十字路口要有數(shù)字顯示作為時(shí)間提示，以倒計(jì)時(shí)方式提示剩余時(shí)間，并按照時(shí)序要求進(jìn)行顯示；即當(dāng)某方向綠燈亮起時(shí)，將顯示器設(shè)置為相應(yīng)值，然后以每秒減1的方式計(jì)數(shù)，直至減為“0”，此時(shí)十字路口紅、綠燈交換，一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束，隨后進(jìn)入下一個(gè)方向的工作循環(huán)。

將該項(xiàng)目按大綱章節(jié)順序拆解為5個(gè)實(shí)驗(yàn)，前4個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K改進(jìn)電路過(guò)后可成為整體案例中的一個(gè)模塊。各實(shí)驗(yàn)在總體項(xiàng)目中發(fā)揮的作用為。

實(shí)驗(yàn)1：狀態(tài)譯碼電路實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)在總體項(xiàng)目中發(fā)揮的作用是將狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路輸出的四種工作狀態(tài)，翻譯成南北、東西車道上紅、黃、綠三種信號(hào)燈的工作狀態(tài)。該實(shí)驗(yàn)的知識(shí)與技能目標(biāo)是掌握常用的組合邏輯函數(shù)描述方式；過(guò)程與方法目標(biāo)為能夠基于門電路、二進(jìn)制譯碼器芯片和數(shù)據(jù)流級(jí)描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)組合邏輯函數(shù)；情感與價(jià)值觀目標(biāo)為初步建立以解決實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向的工程思維。

實(shí)驗(yàn)2：狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)是交通信號(hào)燈模式轉(zhuǎn)換的編碼，是控制電路的核心。該實(shí)驗(yàn)的知識(shí)與技能目標(biāo)是掌握觸發(fā)器的工作原理和演化過(guò)程；過(guò)程與方法目標(biāo)是能夠使用觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器芯片和行為級(jí)描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器；情感與價(jià)值觀目標(biāo)為觸發(fā)器演化和改進(jìn)過(guò)程中體現(xiàn)出的科學(xué)精神。

實(shí)驗(yàn)3：倒計(jì)時(shí)及顯示電路實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)在總體項(xiàng)目中的作用是將各路口信號(hào)燈亮的時(shí)間進(jìn)行數(shù)字提示。該實(shí)驗(yàn)的知識(shí)與技能目標(biāo)是掌握減法計(jì)數(shù)器和顯示譯碼器的工作原理；過(guò)程與方法目標(biāo)是基于可逆計(jì)數(shù)器芯片和結(jié)構(gòu)化描述語(yǔ)言，掌握任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)方法和顯示譯碼電路設(shè)計(jì)方法；情感與價(jià)值觀目標(biāo)為自頂向下的系統(tǒng)思維和注重整體功能的大局觀念。

實(shí)驗(yàn)4：秒脈沖發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)為倒計(jì)時(shí)電路提供頻率為1Hz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。該實(shí)驗(yàn)的知識(shí)與技能目標(biāo)為掌握“555”電路構(gòu)成的多諧振蕩器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；過(guò)程與方法目標(biāo)為掌握占空比可調(diào)的多諧振蕩器的設(shè)計(jì)方法和基于硬件描述語(yǔ)言的分頻器設(shè)計(jì)方法；情感與價(jià)值觀目標(biāo)為培養(yǎng)相關(guān)性思維，發(fā)揚(yáng)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、勇于創(chuàng)新的工匠精神。

實(shí)驗(yàn)5：交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)為最終的綜合性實(shí)驗(yàn)，旨在完成現(xiàn)實(shí)中交通信號(hào)燈的控制，以引導(dǎo)車輛安全行駛。該實(shí)驗(yàn)的知識(shí)與技能目標(biāo)為掌握交通信號(hào)燈的控制邏輯；過(guò)程與方法目標(biāo)為掌握基于中規(guī)模數(shù)字芯片和FPGA開(kāi)發(fā)板的子實(shí)驗(yàn)?zāi)K之間邏輯關(guān)系的建立與測(cè)試方法；情感與價(jià)值觀目標(biāo)為促進(jìn)學(xué)生之間的溝通協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電子技術(shù)的興趣與熱愛(ài)，激發(fā)學(xué)生面對(duì)未來(lái)科技挑戰(zhàn)的信心和勇氣。

三、PBL教學(xué)模式實(shí)施過(guò)程與效果

（一）課前準(zhǔn)備

課前準(zhǔn)備包括教師和學(xué)生雙方的充分預(yù)備工作。教師在課前需要做的工作主要包括項(xiàng)目選題，實(shí)驗(yàn)任務(wù)分解與規(guī)劃，實(shí)驗(yàn)任務(wù)發(fā)布以及相關(guān)資源推薦。以“交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)”為例，每個(gè)模塊實(shí)驗(yàn)之前的兩周，教師會(huì)通過(guò)雨課堂平臺(tái)發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)，明確實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式要求，并推送與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論講解視頻和技術(shù)文檔。學(xué)生在課前的準(zhǔn)備工作包括：組成項(xiàng)目小組（每組通常3人），設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行電路搭建與調(diào)試，分析與解決遇到的問(wèn)題和撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。學(xué)生小組在課前需通過(guò)觀看視頻、查閱資料等方式收集信息，經(jīng)過(guò)小組討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，利用EDA軟件進(jìn)行電路仿真。根據(jù)仿真電路確定實(shí)驗(yàn)器材，向?qū)嶒?yàn)室管理員申請(qǐng)面包板、元器件和FPGA開(kāi)發(fā)板后進(jìn)行電路搭建和測(cè)試，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)雨課堂反饋給教師。

（二）課中實(shí)踐與評(píng)價(jià)

課中實(shí)踐遵循“學(xué)生主體，教師主導(dǎo)”的理念，學(xué)生需將本組的實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行展示，分享從任務(wù)分析、任務(wù)討論、電路實(shí)現(xiàn)以及解決難點(diǎn)問(wèn)題的全過(guò)程；教師則通過(guò)前期反饋和學(xué)生課堂表現(xiàn)，適時(shí)進(jìn)行啟發(fā)，提出擴(kuò)展性思考題，并有效組織課堂交流與討論。評(píng)價(jià)過(guò)程堅(jiān)持公平性原則，因此評(píng)價(jià)小組由教師評(píng)價(jià)、學(xué)生組間評(píng)價(jià)、小組內(nèi)評(píng)價(jià)共同構(gòu)成。評(píng)價(jià)指標(biāo)不僅要體現(xiàn)學(xué)生理論掌握情況、電路完成情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)情況，還要考查學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、交流表達(dá)能力和項(xiàng)目參與度，每個(gè)指標(biāo)10分，七個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)總計(jì)70分，最終成績(jī)由三個(gè)評(píng)價(jià)組分別給出的分?jǐn)?shù)取平均值確定。

（三）課后總結(jié)與反思

每堂實(shí)驗(yàn)課后，每名學(xué)生都會(huì)通過(guò)課堂擴(kuò)展性問(wèn)題的交流與評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)反饋，總結(jié)自身在實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成過(guò)程中存在的不足，在雨課堂平臺(tái)上提交實(shí)驗(yàn)總結(jié)與改進(jìn)思路；教師通過(guò)綜合學(xué)生課堂表現(xiàn)、評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)以及反思報(bào)告，及時(shí)進(jìn)行教學(xué)總結(jié)與反思，包括實(shí)驗(yàn)任務(wù)規(guī)劃的合理性、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的難易程度、課堂實(shí)施的教學(xué)效果以及教學(xué)目標(biāo)的完成度等方面，并據(jù)此提出改進(jìn)策略。

（四）實(shí)施效果與改進(jìn)措施

本次案例實(shí)施采用對(duì)照實(shí)驗(yàn)的方法，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組均為電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生。實(shí)驗(yàn)組采用基于PBL模式的實(shí)驗(yàn)案例教學(xué)，對(duì)照組為傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)施周期為一個(gè)學(xué)期。在學(xué)期末通過(guò)統(tǒng)計(jì)兩個(gè)教學(xué)班次的終結(jié)性考核成績(jī)分布、課程設(shè)計(jì)成績(jī)分布和參與電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽人數(shù)分布。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感與價(jià)值觀三維目標(biāo)達(dá)成的過(guò)程中，基于PBL模式的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)模式。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，在案例實(shí)施過(guò)程中，存在三個(gè)層次的任務(wù)均完成需占用學(xué)生大量的課外時(shí)間的問(wèn)題。下一個(gè)實(shí)施周期中，考慮將基本任務(wù)與理論課基本內(nèi)容相結(jié)合，在理論課堂上引導(dǎo)學(xué)生完成基本任務(wù)并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，課余時(shí)間集中攻關(guān)進(jìn)階任務(wù)和拔高任務(wù)，使案例實(shí)施發(fā)揮更大功效。

本文基于PBL教學(xué)模式，提出適合于數(shù)字電子技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)案例與實(shí)施方法，以“交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)”為例，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。學(xué)生通過(guò)四個(gè)與大綱要求聯(lián)系緊密的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，最終完成“交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)”綜合性設(shè)計(jì)項(xiàng)目。通過(guò)有效的課前準(zhǔn)備、課堂討論、課后總結(jié)與反思，學(xué)生不僅在知識(shí)與技能維度上達(dá)到了教學(xué)大綱要求的標(biāo)準(zhǔn)，而且在過(guò)程與方法維度上掌握了數(shù)字電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法，在情感與價(jià)值觀維度也構(gòu)建了基本的工程與系統(tǒng)觀念，形成了嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工程素養(yǎng)，對(duì)電類學(xué)科競(jìng)賽的熱情也顯著提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊晶晶，劉延飛，楊百龍.一致性建構(gòu)原則下高等教育混合式教學(xué)融入課程思政的實(shí)踐探析[J].黑龍江高教研究，2023（5）.

[2]皮江紅，廖依帆.工業(yè)4.0背景下高等工程人才“四維”能力培養(yǎng)：丹麥奧爾堡大學(xué)PBL教學(xué)模式及其啟示[J].高等工程教育研究，2022（4）.

[3]梁麗勤，張寶健，王巖.基于雙PBL模式的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例：簡(jiǎn)易洗衣機(jī)控制電路[J].物理實(shí)驗(yàn)，2022（1）.

[4]劉建華，龔校偉，崔雅君.交通燈控制器數(shù)字電路的設(shè)計(jì)及仿真[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（1）.

[5]尹寧.PBL教學(xué)法在“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2020（4）.

[6]任玲，張寧，岑紅蕾.以學(xué)生為中心的“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2018（2）.

[7]張妤.基于CDIO的“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式研究：以“數(shù)字電子技術(shù)”課程為例[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2014（S2）.

責(zé)編：應(yīng) 圖