羅春婭，馬智超

（1.湖北第二師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205；2.湖北省環(huán)境凈化材料工程技術(shù)研究中心，武漢 430205）

1 引言

教育部制定的《普通高等教育本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹》中對于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)具有電子技術(shù)和信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，能從事各類電子設(shè)備和信息系統(tǒng)的研究、設(shè)計、制造和開發(fā)的高等工程技術(shù)人才。[1]一系列的調(diào)研和教學(xué)實(shí)踐表明[2-3]，目前電子類專業(yè)的人才培養(yǎng)集中的問題在于專業(yè)實(shí)踐能力的培養(yǎng)，特別是綜合實(shí)踐能力。但在具體教學(xué)工作中還是存在以下的問題：一是學(xué)校教師重視理論課程的教學(xué)，對于專業(yè)實(shí)踐能力的重視普遍欠缺，對于學(xué)生的實(shí)踐指導(dǎo)相對不足；二是專業(yè)實(shí)踐課程中，重視驗(yàn)證性的實(shí)踐，輕視創(chuàng)造性和綜合性的項(xiàng)目，各個實(shí)踐項(xiàng)目之間的邏輯聯(lián)系和銜接失當(dāng)，缺乏中等難度和銜接性的實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致實(shí)踐課程的培養(yǎng)目標(biāo)打折；三是在讀學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐技能主要依賴于仿真，實(shí)際動手能力稍弱，特別是對于實(shí)際問題的綜合分析和解決能力缺乏；四是實(shí)踐類課程的評價單一，學(xué)生重視不夠，導(dǎo)致畢業(yè)生對畢業(yè)設(shè)計的無解和困惑。

基于電子類專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，綜合以上專業(yè)課程中遇到的問題，為了讓本專業(yè)的學(xué)生有更好就業(yè)機(jī)會，改革專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法，促進(jìn)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才實(shí)踐能力的提升迫在眉睫。

國內(nèi)外關(guān)于提高人才培養(yǎng)質(zhì)量也進(jìn)行了大量研究[4-6]，研究表明：項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project-based Learing，PBL）和以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)（Problem-based Learing，PBL）模式作為有效的教學(xué)方法，對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力具有顯著優(yōu)勢和成效，該方法為電子類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的改革和探索提供了新思路。

2 以問題為導(dǎo)向的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式探索

2.1 問題導(dǎo)向式學(xué)習(xí)（問題式PBL）的內(nèi)涵

問題導(dǎo)向式學(xué)習(xí)雖然沒有統(tǒng)一的定義，但都認(rèn)為是以問題為基礎(chǔ)，以學(xué)生為主體的新型教學(xué)方式。主要是在理論和實(shí)踐之間，教育和專業(yè)運(yùn)用之間搭建問題的橋梁，通過解決問題來促進(jìn)學(xué)生的個人發(fā)展和學(xué)科進(jìn)步，培養(yǎng)具有實(shí)踐精神的個體。Howard Barrows認(rèn)為在問題導(dǎo)向式學(xué)習(xí)中，學(xué)生以小組為單位，圍繞問題進(jìn)行學(xué)習(xí)，其中，學(xué)生是中心。[7]

該教學(xué)方法主張讓學(xué)生在解決問題的過程中，自我驅(qū)動，促進(jìn)學(xué)生對于知識的渴望。該學(xué)習(xí)模式使得學(xué)生面臨一系列的問題，在問題情境中思考解決方案，讓學(xué)生在問題探究完成以后形成對知識系統(tǒng)性的理解。需要探索的問題主要根據(jù)課程大綱，由老師提供。該教學(xué)法有固定的實(shí)施流程：根據(jù)教師給出的問題、同學(xué)們分組、自行查文獻(xiàn)解決問題、后面是匯報、反思。這一整套流程更多地運(yùn)用在理論建構(gòu)中，主要在醫(yī)學(xué)教育、法律、經(jīng)濟(jì)和心理學(xué)中，一般所花的時間不長。

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，問題式PBL在大學(xué)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用中存在一些明顯的不足和局限［8］，其中尤為突出的是在問題的提出上，具體表現(xiàn)為教師在理論教學(xué)問題的設(shè)計必須基于課程大綱，很多問題可能不需要深入思考，僅僅通過閱讀教材或者參考書就可以得到答案，甚至有的同學(xué)會上網(wǎng)搜索答案，不能充分發(fā)展學(xué)生的知識運(yùn)用能力。而且，相比較于傳統(tǒng)教學(xué)法，這種教學(xué)形式的評價較為單一。

2.2 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（問題式PBL）的內(nèi)涵

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)也是一種基于建構(gòu)主義理論的學(xué)習(xí)模式，近些年來受到了國內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注[9]。來源是著名教育家John Deway提倡的“做中學(xué)”。他的學(xué)生Kilpatrick 受他影響，基于心理學(xué)和教育學(xué)的角度提出的教學(xué)方法。指的是教師將學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)項(xiàng)目化，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)真實(shí)情景提出問題，讓學(xué)生利用所學(xué)的知識開展研究設(shè)計，解決項(xiàng)目。學(xué)生在解決項(xiàng)目的過程中，掌握所需的知識和技能。目前，該方法強(qiáng)調(diào)用工程方法去鼓勵學(xué)生參加教學(xué)活動，沒有固定的實(shí)施步驟，注重項(xiàng)目作品的制作，學(xué)習(xí)成果以物化的方式呈現(xiàn)。該方法被廣泛運(yùn)用在計算機(jī)科學(xué)和工程學(xué)等學(xué)科，不同項(xiàng)目可能花費(fèi)的時間不同。

該方法作為改革教學(xué)模式的新方法，對于學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力作用巨大，但它也有自己的不足。關(guān)于項(xiàng)目式PBL的調(diào)查表明[10]：目前，學(xué)生參與項(xiàng)目式PBL的活動類型主要表現(xiàn)為參加各種專業(yè)競賽：本專業(yè)主要是電子競賽和機(jī)器人的各種比賽，形式較為單一。而這個設(shè)計項(xiàng)目的過程，教師在整合相關(guān)專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，缺乏針對課程大綱和人才培養(yǎng)目標(biāo)、具有教育功能的項(xiàng)目，對于基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)不太友好。項(xiàng)目設(shè)計主題綜合性太強(qiáng)，而且來源單一使得題目很容易同質(zhì)化，也很容易脫離真實(shí)實(shí)踐環(huán)境，造成學(xué)生對于項(xiàng)目主體的理解不夠，學(xué)習(xí)效果不好；學(xué)生對題目的變化應(yīng)對能力稍弱，沒有很強(qiáng)的基礎(chǔ)知識來擴(kuò)展，片面性加大。學(xué)生掌握的理論知識沒有系統(tǒng)化，呈現(xiàn)碎片化的趨勢。而在真實(shí)的教學(xué)過程中，部分同學(xué)因?yàn)閰⒓訉I(yè)競賽，對于項(xiàng)目的理解更好，而有的同學(xué)基礎(chǔ)較差，完全無法完成制定的項(xiàng)目，給學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性造成較大挫折。這給我們一些啟示：將項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的應(yīng)用效果落實(shí)，要根據(jù)課程大綱的培養(yǎng)目標(biāo)，提出有針對性的項(xiàng)目，并根據(jù)不同學(xué)生的基礎(chǔ)，完成不同階段性的成果。

2.3 以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)相結(jié)合的互補(bǔ)性

而從以上問題式PBL和項(xiàng)目式PBL的內(nèi)涵可以看出：這二者作為新型教學(xué)法，都重視學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，讓學(xué)生圍繞問題進(jìn)行探究來發(fā)展學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，各自都有自己不可替代的優(yōu)勢，在開展過程中也存在一些互補(bǔ)性。問題式PBL在基本理論教學(xué)中為學(xué)生針對知識點(diǎn)提出系統(tǒng)化的專業(yè)知識體系，讓學(xué)生不僅會解決問題，還對知識體系有一個系統(tǒng)的了解和認(rèn)識，這對于項(xiàng)目式PBL 的可擴(kuò)展性是一個強(qiáng)有力的補(bǔ)充；而基于項(xiàng)目式PBL創(chuàng)設(shè)的各個項(xiàng)目雖然沒有問題式PBL更具有系統(tǒng)性，但它更具有特色，更具有可擴(kuò)展性和創(chuàng)新性，可以為發(fā)展后來的分層教學(xué)提供堅實(shí)的基礎(chǔ)，也為多元評價提供了有力支撐和依據(jù)。這些都可以有效彌補(bǔ)問題式PBL的不足。而項(xiàng)目式PBL的優(yōu)勢在于讓每一個學(xué)生都有收獲，也有挑戰(zhàn)，對于學(xué)生的學(xué)習(xí)投入和學(xué)習(xí)動機(jī)效果顯著。特別是在電子學(xué)相關(guān)專業(yè)課的教授上，兩者結(jié)合，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

因此，整合兩種PBL，兩者合理組織嵌套，有計劃合并，形成雙PBL（Double PBL，DPBL）模式，可以克服各自的問題，實(shí)現(xiàn)功能性的互補(bǔ)，為培養(yǎng)人才和教學(xué)提供了新思路。

3 基于問題導(dǎo)向的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（DPBL）改革電子類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的構(gòu)想與探索

3.1 總體構(gòu)想

電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是從人才培養(yǎng)目標(biāo)就決定了應(yīng)用實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要性，而實(shí)踐能力強(qiáng)并不等于只會做項(xiàng)目，還必須在面對新問題時，有一定理論基礎(chǔ)，可以創(chuàng)造性地解決面臨的突發(fā)性的新問題。

《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高校實(shí)踐育人工作的若干意見》明確提出：實(shí)踐教學(xué)方法改革是推動人才培養(yǎng)模式改革的關(guān)鍵。各高校都要進(jìn)一步加強(qiáng)綜合性實(shí)踐科目的設(shè)計。[11]根據(jù)這一政策，本專業(yè)開設(shè)的數(shù)字電子技術(shù)課程，采用DPBL的教學(xué)方法，不僅與專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)一致，而且還可以彌補(bǔ)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)。因?yàn)樵摲椒瓤梢猿浞职l(fā)揮問題式PBL的優(yōu)勢，基于課程大綱和前后知識點(diǎn)的聯(lián)系創(chuàng)設(shè)與專業(yè)相關(guān)的問題式項(xiàng)目主題，為學(xué)生系統(tǒng)掌握專業(yè)知識提供媒介，有效避免單一的項(xiàng)目式PBL存在的欠缺學(xué)科關(guān)聯(lián)性和體系性的問題；而另一方面，也可以充分發(fā)揮項(xiàng)目式PBL的優(yōu)勢，對學(xué)生的問題式PBL進(jìn)行全程結(jié)構(gòu)性指導(dǎo)和擴(kuò)展，有效避免單一的問題式PBL中項(xiàng)目主題的同質(zhì)化問題。在實(shí)際教學(xué)過程中，可以借助項(xiàng)目式PBL的要求，發(fā)展校內(nèi)外“雙導(dǎo)師”實(shí)踐指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，基于電子綜合實(shí)踐共同培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

綜上所述，我們可以將電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)與相關(guān)的教學(xué)聯(lián)系起來：在學(xué)校課程的理論教學(xué)采用問題式PBL教學(xué)法，將知識點(diǎn)細(xì)化成一些小的問題，每個問題只針對具體的一個知識點(diǎn)；而在實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，根據(jù)社會需求將實(shí)驗(yàn)室和實(shí)踐基地互通，共同開發(fā)電路相關(guān)課程的實(shí)踐類問題或者項(xiàng)目，采用項(xiàng)目式PBL的學(xué)習(xí)方式，將綜合性的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐與項(xiàng)目教學(xué)連接起來。這樣，經(jīng)過一輪完整的理論和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的學(xué)生既具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，又有靈活的項(xiàng)目開發(fā)能力。如圖1所示，項(xiàng)目式PBL與問題式PBL融合有6個規(guī)范步驟。在這些步驟里，學(xué)生和教師交互，經(jīng)過理論學(xué)習(xí)，完成多個基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)后，能夠具有開發(fā)和擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的能力。

圖1 基于問題的項(xiàng)目式電子科學(xué)與技術(shù)課程教學(xué)的總體構(gòu)想

3.2 實(shí)施數(shù)字電路課程的方案舉例

具體的實(shí)施方法可以通過具體課程來體現(xiàn)。這里以電子類專業(yè)基礎(chǔ)課數(shù)字電路為例：首先，我們根據(jù)數(shù)字電路課程的課程大綱，得到如圖2所示的課程思維導(dǎo)圖，當(dāng)然，里面還有幾個小的知識點(diǎn)沒有呈現(xiàn)：555定時器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等。

圖2 數(shù)字電路課程的知識點(diǎn)思維導(dǎo)圖

根據(jù)本科學(xué)院具體的教學(xué)流程，不時有學(xué)生因?yàn)橐恍┰蚓€上上課。所以，一個班級的具體上課情況是同學(xué)們同時在線上線下上課。為了促進(jìn)上課效率，提升課堂質(zhì)量，同時克服線上學(xué)習(xí)效率低的問題。該基于問題的項(xiàng)目式PBL教學(xué)法確實(shí)有其獨(dú)到的優(yōu)勢。對學(xué)生而言，兼顧了效率和考核公平。也就從基本上解決了我們面臨的四個問題：

3.2.1 可以克服只重視理論教學(xué)的問題。采用以上DPBL的教學(xué)方法，將從思想上克服重視理論教學(xué)而忽視或者不重視實(shí)際動手能力的問題，不會在人才培養(yǎng)的最終目標(biāo)上打折扣。當(dāng)然，因?yàn)榻虒W(xué)上對于實(shí)踐能力的重視，我們的成績組成也需要一定改變，如表1所示。實(shí)驗(yàn)在成績評定中的作用加強(qiáng)，平時的作業(yè)加上了仿真等任務(wù)。首先，該方法因?yàn)槭腔趩栴}，基于項(xiàng)目的，所以，必須是解決問題和實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的項(xiàng)目要求才是最終目標(biāo)。所以，該方法在一開始就給老師定了基調(diào)：解決問題為主，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)為主。學(xué)生知道要具體實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目才算。這樣，他們會帶著問題去找答案，自己動手做完項(xiàng)目才有具體的成績，而在問題式PBL教學(xué)中，學(xué)生必須弄清楚基本解決問題的步驟和方法。在后面的項(xiàng)目式PBL教學(xué)中，教師可以根據(jù)不同學(xué)生的基礎(chǔ)，對于題目提出不一樣的解決途徑和實(shí)現(xiàn)效果，讓學(xué)生在上課過程中有樂趣，也有壓力。

表1 課程成績評定組成及比例

3.2.2 可以克服項(xiàng)目缺乏層次性的問題。實(shí)踐中由于重視驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，讓基礎(chǔ)較好的同學(xué)英雄無用武之地；缺乏讓學(xué)生可以主動探索的中等難度的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目，而最后實(shí)訓(xùn)課堂給出的實(shí)踐類題目相應(yīng)較難，讓基礎(chǔ)一般的同學(xué)打了退堂鼓。本文根據(jù)具體的設(shè)計題目為例，講解如何根據(jù)具體基礎(chǔ)項(xiàng)目衍生出中等難度的項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的分層教學(xué)，提升學(xué)習(xí)效果。如圖3所示，一共分為六步走：

圖3 基于問題的項(xiàng)目式PBL數(shù)字電路課程教學(xué)的總體設(shè)計

前三步主要是在理論教學(xué)中：根據(jù)目標(biāo)設(shè)定，分組分工和查閱文獻(xiàn)，很多基本問題就得到解決了。比如在具體數(shù)字電路課程里面，講完基本理論和原理，根據(jù)教學(xué)大綱提出讓同學(xué)們自行設(shè)計函數(shù)發(fā)生器電路。然后根據(jù)問題式PBL提出一些基本的本課程在數(shù)字電路上的一些運(yùn)用。比如組合邏輯電路上的基本加法器、減法器、函數(shù)發(fā)生器、計數(shù)器等等。具體教學(xué)內(nèi)容如表2所示。在同學(xué)們解決這些問題之前，需要線上或者線下講解組合邏輯電路的設(shè)計方法，設(shè)計原理等，就將思維圖里的基本知識串聯(lián)起來了。

表2 數(shù)字電路課程相關(guān)知識點(diǎn)與基于問題項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目

后面三步主要是在解決項(xiàng)目的過程中用到：復(fù)雜的問題需要整合和匯總。同學(xué)們熟悉了這些理論以后，將電路知識逐漸深化，就是項(xiàng)目式PBL：考慮將這些基本電路中用到的元器件74LS160，74LS48進(jìn)行組合，嘗試做一個計數(shù)、譯碼和顯示的電路。當(dāng)然，在具體實(shí)踐之前，需要軟件仿真，不然，復(fù)雜電路在調(diào)試時不好找原因。當(dāng)然，我們一般使用Multisim進(jìn)行仿真。仿真之后的實(shí)踐，也要調(diào)試。

最后，學(xué)有余力的同學(xué)，可以進(jìn)行部分?jǐn)U展。比如在555定時器部分，可以考慮：基礎(chǔ)一般的同學(xué)先將555定時器的基本邏輯功能測試完畢以后，可以將定時器分解成三類電路：單穩(wěn)態(tài)電路、雙穩(wěn)態(tài)電路和無穩(wěn)態(tài)電路，基礎(chǔ)功能電路就是三大類。然后將三大類電路的基本功能電路弄清楚，比如：單穩(wěn)態(tài)電路的定時器、分頻器和脈沖寬度調(diào)制電路等。具體來說，單穩(wěn)態(tài)電路的脈沖發(fā)生器算是基本電路（所有同學(xué)都要掌握）。然后對于基礎(chǔ)較好的同學(xué)，可以設(shè)計將555定時器擴(kuò)展：設(shè)計一個調(diào)速電路，如圖5所示。這里無論中等難度的電路設(shè)計，還是項(xiàng)目式電路的設(shè)計，實(shí)際步驟都是：先在Multisim軟件環(huán)境中設(shè)計電路圖，如圖4（a）所示的方波發(fā)生器電路，后根據(jù)仿真，實(shí)驗(yàn)波形圖如圖4（b）所示。

圖4 方波發(fā)生器仿真電路圖和實(shí)驗(yàn)波形圖

圖5 風(fēng)扇周波調(diào)速電路

在實(shí)驗(yàn)室搭建同樣的電路，可以實(shí)現(xiàn)仿真波形一樣的效果。最后就可以獲得項(xiàng)目所需的效果，如圖5所示。常見的555定時器設(shè)計挺多，這里不再贅述。如圖5所示，控制NE555的3腳輸出電平來調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動和停轉(zhuǎn)。通過調(diào)節(jié)RW占空比或者C2來調(diào)節(jié)控制周期。

3.2.3 可以方便調(diào)試和功能擴(kuò)展。疫情背景下的實(shí)踐類課題不得已讓同學(xué)們進(jìn)行了線上仿真。其實(shí)可以在具體實(shí)踐類的課程時，線上項(xiàng)目，讓同學(xué)們自己將項(xiàng)目改變，進(jìn)行項(xiàng)目衍生，也是線上教學(xué)的優(yōu)勢。軟件調(diào)試很方便進(jìn)行功能擴(kuò)展，比起實(shí)際電路的調(diào)試要方便快捷。最后，當(dāng)然最好留一點(diǎn)學(xué)時，等線下恢復(fù)教學(xué)以后，讓同學(xué)們回實(shí)驗(yàn)室動手實(shí)操。不然，仿真做得再好，也是不解決實(shí)際問題的。項(xiàng)目調(diào)試就沒有得到鍛煉，最后的畢業(yè)設(shè)計就會有壓力。

3.2.4 可以克服評價單一的問題。前面在修改課程大綱的時候就要考慮到，平時的教學(xué)說是理論和實(shí)踐的組合：兩手都要硬，兩手都要抓，最后就是一張閉卷考試決定了學(xué)生的分?jǐn)?shù)。這對于認(rèn)真做實(shí)驗(yàn)的同學(xué)未免有些不公平，會打消他們的積極性。對于專業(yè)競賽也不利，會影響學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)的積極性。所以，建議在學(xué)科評分中，適當(dāng)處理最后考試成績的比例，建議如表1進(jìn)行調(diào)整。

5 總結(jié)

基于電子類課程的教學(xué)，在理論教學(xué)上采用基于問題的PBL學(xué)習(xí)，可以幫助學(xué)生理清知識脈絡(luò)，理清學(xué)習(xí)重點(diǎn)，對于線上教學(xué)的同學(xué)，可以有目的地去學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)興趣。而在具體實(shí)踐類的學(xué)習(xí)上，采用基于項(xiàng)目的PBL學(xué)習(xí)，可以衍生出超出學(xué)生目前基礎(chǔ)的中等難度的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐，最后，有部分在電子和機(jī)器人社團(tuán)的基礎(chǔ)好的同學(xué)，可以自我驅(qū)動，自學(xué)相關(guān)編程的單片機(jī)控制，嵌入式控制，對于學(xué)生的職業(yè)生涯，也是較好的導(dǎo)入。