梁麗勤，張寶健，王 巖

(東北大學秦皇島分校 a.實驗教育中心；b.控制工程學院;c.計算中心，河北 秦皇島 066004)

數(shù)字電子技術實驗是自動化類、計算機類和電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎實驗課程[1-3]，與數(shù)字電子技術理論課共同為微機原理與接口技術、單片機原理等專業(yè)課程的重要理論基礎. 數(shù)字電子技術實驗是培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力的重要課程，已經(jīng)有翻轉(zhuǎn)課堂[4]、微課[5]、基于問題的學習[6-7]等教學方式，尤其是基于問題的學習在很大程度上激發(fā)了學生學習的積極性和主動性，提高了實驗教學效果. 對于數(shù)字電子技術實踐性較強的課程，學生所做的各個實驗相對獨立，缺少系統(tǒng)性、整體性，導致各個實驗知識點間連貫性不足，理論與實踐聯(lián)系不緊密[8-9]，而在完成數(shù)字電子技術課程知識的系統(tǒng)梳理和工程觀的構建中,基于項目的實驗作用明顯. 因此，在基于問題的學習基礎上融合基于項目的學習[10]，更有利于激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的科學素養(yǎng)和系統(tǒng)地分析問題、解決問題的能力. 本文以“簡易洗衣機控制電路”為例，闡述了基于雙PBL模式的數(shù)字電子技術實驗的教學改革與探索經(jīng)驗.

1 雙PBL模式

雙PBL模式是基于項目的學習和基于問題的學習2種教學模式的融合[10]，其核心是基于項目的學習，以基于問題的學習為輔助，是從項目設計、實驗項目分解、問題設計、教學過程和方法等多個方面將2個PBL模式有機結合的實驗教學模式. 通過基于問題的學習模式提高學生學習的主動性、創(chuàng)新能力和團隊意識[11-12],通過基于項目的學習模式[13]將實驗內(nèi)容之間建立聯(lián)系，學生實驗均以項目完成為大方向，每節(jié)實驗課都是大的設計項目中的1個子項目，完成所有的實驗課后，構建整個設計題目，最終形成數(shù)字電子技術實踐項目的全部內(nèi)容.

基于雙PBL模式的數(shù)字電子實驗教學方法改變了傳統(tǒng)的以講授和驗證性實驗為主的實驗教學方式，使實驗內(nèi)容與實際生活密切聯(lián)系. 在基于問題的學習模式引導下，學生完成必要的實驗內(nèi)容，多次實驗的協(xié)同工作使學生能夠完成較大的綜合性實踐項目. 此外，基于雙PBL模式的教學不僅激發(fā)了學生的學習興趣，提高了學生分析問題、解決問題的能力，使學生學以致用；同時還提高了學生申報和參加各類競賽項目的積極性，進而不斷提高學生的創(chuàng)新能力.

2 基于雙PBL模式的數(shù)字電子技術實驗教學模式設計

基于雙PBL的教學模式不僅要以基于問題的學習為教學模式，還要設定綜合目標，設計完成1個綜合性的實踐項目. 本文以“簡易洗衣機控制電路”為例，完成了基于雙PBL模式的數(shù)字電子技術實驗方案設計.

2.1 雙PBL模式總體教學設計

在基于雙PBL模式的數(shù)字電子實驗教學設計中，基于項目的學習是核心，基于問題的學習是輔助. 整個教學設計中縱向?qū)用嬉皂椖繛橹骶€，完成項目設計、實驗項目分解；橫向?qū)用媸菃栴}設計、教學過程和方法的開展. 構建的雙PBL教學模式如圖1所示.

2.2 案例介紹

簡易洗衣機控制電路作為數(shù)字電子技術課程設計的題目之一，相對難度較高，涉及數(shù)字電子技術課程章節(jié)內(nèi)容較全面，一般要求學生在1周內(nèi)完成. 實驗目的為：

1)鞏固和應用課程中所學的基本理論和方法，初步掌握小型數(shù)字系統(tǒng)設計的基本方法.

2)靈活應用標準集成電路器件,實現(xiàn)規(guī)定的數(shù)字系統(tǒng). 教學中注重培養(yǎng)學生獨立思考、獨立資料搜集、獨立設計規(guī)定功能的數(shù)字系統(tǒng)的能力.

3)培養(yǎng)學生獨立進行實驗的能力(包括電路布局、安裝、調(diào)試和排除故障).

2.2.1 基于項目的學習

簡易洗衣機控制電路實驗項目設計的要求：

1)設定洗衣機的工作時間在1～99 min內(nèi)，并數(shù)碼顯示.

2)在1 min內(nèi)，1～20 s模擬電機正轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)指示燈亮，反轉(zhuǎn)指示燈不亮，4個發(fā)光二極管組成循環(huán)指示燈順時針方向轉(zhuǎn)動；21～30 s模擬電機停止，正反轉(zhuǎn)指示燈均不亮，循環(huán)指示燈停止轉(zhuǎn)動；31～50 s模擬電機反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)指示燈不亮，反轉(zhuǎn)指示燈亮，4個發(fā)光二極管組成循環(huán)指示燈逆時針方向轉(zhuǎn)動；51～60 s模擬電機停止，正反轉(zhuǎn)指示燈均不亮，循環(huán)指示燈停止轉(zhuǎn)動.

3)倒計時到0時，系統(tǒng)停止工作，數(shù)碼管顯示0或不顯示，所有模擬電機正反轉(zhuǎn)指示燈熄滅.

因此，按照理論知識的講授順序，分解為5個子項目，每個實驗可以獨立成為1個子項目，又可以略做修改成為整體項目的組成部分，項目分解如圖1所示.

1)實驗1：組合邏輯電路子項目. 要求利用3線8線譯碼器(74LS138)及與非門(74LS00)設計完成模擬電機正反轉(zhuǎn)指示燈電路. 現(xiàn)象為：電路的輸入為0和1時，電機正轉(zhuǎn)指示燈亮；輸入2和5時，電機停止，正反轉(zhuǎn)指示燈均不亮；輸入3和4時，電機反轉(zhuǎn)指示燈亮.

2)實驗2：加法計數(shù)器子項目. 要求利用十進制加法計數(shù)器(74LS160)和4位二進制加法計數(shù)器(74LS161)設計完成六十進制計數(shù)器電路(分鐘脈沖發(fā)生器). 可以采用串聯(lián)方式或并聯(lián)方式完成設計. 其中，串聯(lián)方式中74LS160是六十進制計數(shù)器的低位，實現(xiàn)十進制加法計數(shù)；74LS161是六十進制計數(shù)器的高位，實現(xiàn)六進制加法計數(shù).

3)實驗3：減法計數(shù)器子項目. 要求利用撥碼開關、十進制加減計數(shù)器(74LS190)、顯示譯碼器(74LS47)和共陽極數(shù)碼管完成一百進制減法計數(shù)器及數(shù)字顯示電路，可以采用串聯(lián)方式或并聯(lián)方式完成設計.

4)實驗4：移位寄存器和時基電路子項目. 要求利用555時基電路(NE555)和移位寄存器(74LS194)設計完成周期為1 s的脈沖發(fā)生器和循環(huán)指示燈電路的設計. 555時基電路每秒產(chǎn)生1個時鐘信號并提供給移位寄存器，并按照S0和S1的狀態(tài)，完成同步置數(shù)，指示燈的左移、右移和停止顯示.

5)實驗5：系統(tǒng)調(diào)試子項目. 要求通過電路設計，將前4次實驗的電路模塊組合并協(xié)同工作，實現(xiàn)簡易洗衣機控制電路的整體項目調(diào)試. 主要內(nèi)容包含：實驗4的秒脈沖信號與實驗2的六十進制計數(shù)器的電路連接，實驗2的六十進制計數(shù)器與實驗1的3線8線譯碼器的電路連接，實驗1的分鐘脈沖發(fā)生器與實驗3的減法計數(shù)器的電路連接，實驗2的3線8線譯碼器與實驗4的移位寄存器的電路連接，實驗5的整個系統(tǒng)停止工作電路的設計.

2.2.2 基于問題的學習

基于問題的學習區(qū)別于縱向維度的基于項目的學習，是根據(jù)每個子項目的具體內(nèi)容橫向展開的問題式學習方式. 基于問題的學習不僅考慮問題與子項目內(nèi)容的結合，還要將問題分層次，由淺入深，由易到難. 例如，在加法計數(shù)器子項目實驗的問題設計中，基礎性問題有：74LS161和74LS160加法計數(shù)器的區(qū)別是什么？工作原理分別是什么？置數(shù)和清零功能的區(qū)別是什么？拔高的問題有：在六十進制的計數(shù)器中如何設計低位和高位？如何完成不同機制的改變？可以設計出幾種方案？哪種方案更優(yōu)？

3 雙PBL教學模式實施過程與效果

基于雙PBL模式的實驗教學首先要基于項目進行實驗任務分解，再將每個實驗任務以問題的學習模式開展，實現(xiàn)雙PBL有機融合的教學模式. 實施過程設計按照時間順序分為課前、課中和課后三部分.

3.1 課前設計

3.1.1 教師的課前設計

教師在課前對實驗的設計包括：實驗內(nèi)容設計和課程評價設計.

實驗內(nèi)容設計包括項目的實驗任務分解，每個實驗的內(nèi)容設計，以及基于每個實驗內(nèi)容提出相應的關鍵問題. “簡易洗衣機控制電路”按照內(nèi)容和難度分為5個子項目，對應5次實驗，每個實驗既相對獨立又可統(tǒng)一，難度適中，所提問題具有啟發(fā)性和引導性. 例如，在六十進制加法計數(shù)器實驗中提出的問題有：74LS160和74LS161的工作原理？兩者之間的區(qū)別？在六十進制中如何設計低位和高位？低位和高位計數(shù)器如何完成進制的轉(zhuǎn)換？教師在實驗前1周需錄制好預習視頻，通過網(wǎng)絡平臺發(fā)布給學生，并要求學生按照5～6人1組組成學習小組，設計實驗方案和準備課上方案介紹等.

課程評價的設計不僅要考慮課前預習和實驗報告電路及實驗結果，而且要強調(diào)雙PBL模式中學生的參與度. 因此，數(shù)字電子技術實驗課的成績標準設計為5次實驗成績的平均值，每次實驗成績滿分100分，包含實驗預習、實驗電路設計、實驗結果、設計方案總結和雙PBL小組表現(xiàn)5部分，每部分20分.

3.1.2 學生的課前設計

學生在課前按照預習視頻學習與實驗相關的理論原理，組成學習小組，安排工作分工. 實驗開始前完成問題的思考和實驗電路的設計，并將設計方案通過網(wǎng)絡反饋給教師.

3.2 課中實踐

教師是課堂主導，學生是課堂主體. 教師在實驗課中以問題的方式引導學生介紹本組的實驗方案，同時啟發(fā)學生思考與討論. 例如，在減法計數(shù)器子項目實驗中，可以與學生探討的問題有：減法計數(shù)器74LS190能否工作在加法計數(shù)狀態(tài)？高位和低位的減法計數(shù)器是并行方式還是串行方式？當計數(shù)到0時，減法計數(shù)器會停止工作嗎？各個小組的設計方案中哪個方案最優(yōu)？如何改進本組的設計方案？以上問題不但加深了學生對知識點的理解，而且可以引導學生利用芯片的功能進一步設計電路和改進電路，理論和實踐結合的同時加強了工程觀.

3.3 課后總結分析

實驗課后，學生在實驗報告中附加設計方案總結及改進思路. 同時教師及時完成教學反思，包括總結實驗內(nèi)容的難易程度、課堂問題的教學效果和問題的完善與補充等.

3.4 實施效果

基于雙PBL模式的數(shù)字電子技術實驗在自動化專業(yè)和光電信息與工程專業(yè)完成了1個周期的試點，取得非常明顯的教學效果. 在學期末開展的數(shù)字電子課程設計中，雙PBL教學組學生的資料搜集能力、獨立設計能力以及電路布局、安裝、調(diào)試和排除故障的能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學組學生. 根據(jù)數(shù)字電子課程設計成績統(tǒng)計，雙PBL教學組成績?yōu)閮?yōu)秀的學生比例明顯高于傳統(tǒng)教學組，詳見圖2.

4 結束語

基于雙PBL模式的教學設計，融合了基于項目的學習和基于問題的學習兩者的優(yōu)勢. 以“簡易洗衣機控制電路”為例，設計了基于雙PBL模式的數(shù)字電子技術實驗教學方案. 學生通過5個相互關聯(lián)的實驗項目，最終完成了較大的綜合性項目設計. 通過問題式的學習，激發(fā)了學生的學習熱情；通過項目式的學習，引導學生設計和調(diào)試較大的實際工程問題，提高了學生的實踐能力，激發(fā)了學生申報和參加各類競賽項目的積極性，有效提高了教學效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量.