基于PBL模式的數(shù)字電子技術實驗案例設計與實施

摘 要：針對傳統(tǒng)數(shù)字電子技術課程實驗教學中驗證性實驗多、設計性實驗少，以及實驗內容相互獨立、缺乏系統(tǒng)性、整體性和連貫性等問題，基于項目式教學理念，設計了數(shù)字電子技術實驗教學方案。該方案以“交通信號燈控制系統(tǒng)”為例，結合學生認知水平和大綱要求，設置了與教學大綱緊密相連又相互關聯(lián)的實驗任務，在一學期的五次實驗課中開展成果演示、交流評價、總結反思等活動。實施效果表明，基于PBL的教學模式能夠極為有效地實現(xiàn)教學大綱所要求的知識與技能、過程與方法、情感與價值觀三維教學目標。

關鍵詞：PBL；數(shù)字電子技術；綜合性案例；教學

2019年11月，習近平總書記在全軍院校長集訓開班儀式上強調，要全面貫徹新時代軍事教育方針，全面實施人才強軍戰(zhàn)略，全面深化軍隊院校改革創(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|專業(yè)化新型軍事人才。在高素質專業(yè)化新型軍事人才隊伍中，科技與工程人才是軍隊信息化建設的中堅力量，對軍隊長遠發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。數(shù)字電子技術課程作為高等院校電子類、控制類等工科專業(yè)的核心基礎課，對培養(yǎng)學生邏輯思維能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力有著十分重要的作用。課題組前期已嘗試實踐了翻轉課堂、線上線下混合式教學模式，但依然存在如驗證性實驗偏多、設計性實驗較少，且各個實驗內容相互獨立、缺乏系統(tǒng)性、整體性和連貫性等問題，不利于學生構建數(shù)字電子技術的知識脈絡，也不能有效提升學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。課題組通過調研MIT、斯坦福、奧爾堡等國際一流大學的工科類課程實施模式，發(fā)現(xiàn)基于PBL（Problem-Based Learning，問題導向）模式在激發(fā)學生興趣、構建學生工程觀念、提高實踐創(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)字電子技術課程實驗的教學設計與實施經(jīng)驗。

一、PBL教學模式

PBL項目式教學源于教育學家杜威提出的“做中學”教育理念，主要是指在教師的指導下，學生通過一個完整項目的選題、設計、執(zhí)行、評估全過程，對于某個產(chǎn)品或項目進行全方位的學習與理解。其對人才可持續(xù)性發(fā)展的定位及獨特的教學模式，與工業(yè)時代人才需求和工科類課程教育發(fā)展趨勢不謀而合。工科類課程通常設置若干實驗學時，基于PBL的教學模式使各實驗內容之間建立聯(lián)系，以項目實現(xiàn)為大方向，每節(jié)實驗都是總體項目中的一個模塊。在完成所有實驗后，協(xié)同各模塊構建總體項目，最終完成課程實踐項目的全部內容。基于PBL的數(shù)字電子技術課程實驗教學，有助于學生在實踐中內化知識之間的聯(lián)系，強化邏輯思維，構建系統(tǒng)思維，培養(yǎng)合作和創(chuàng)新意識。

二、基于PBL模式的數(shù)字電子技術課程案例設計

基于PBL模式的教學需要設計一個綜合性的實踐項目，該項目的各個模塊內容需要與教學大綱各章節(jié)內容緊密結合，即將各章節(jié)知識和技能、過程與方法有機地融入各模塊中；各模塊的難度設置需適宜，既要符合學生的認知水平，又要具有一定的挑戰(zhàn)性。“交通信號燈控制電路”的構造過程，涉及邏輯代數(shù)基礎、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路、脈沖產(chǎn)生與變換等數(shù)字電子技術各章節(jié)內容，將其作為綜合性實踐項目，有助于學生有效掌握各章節(jié)的基本知識與電路應用技能。此外，其系統(tǒng)化的構造理念又在塑造學生工程思維和系統(tǒng)思維方面有著極高的價值。因此，本文以“交通信號燈控制電路”為例，完成了基于PBL模式的數(shù)字電子技術實驗案例設計。

（一）教學設計

總體教學目標分為三個維度：在知識與技能維度，使學生能夠掌握數(shù)字電子技術基本概念、基本方法和基本電路原理；在過程與方法維度，使學生能夠靈活運用典型中規(guī)模芯片和硬件描述語言來實現(xiàn)數(shù)字邏輯功能；在情感與價值觀維度，要求學生能夠在電路調試過程中建立工程觀和系統(tǒng)觀，激發(fā)學生參與科技類競賽的熱情。圖1為“交通信號燈控制電路”實驗設計框圖，該實驗可分為狀態(tài)譯碼電路、狀態(tài)轉換電路、倒計時及顯示電路、秒脈沖發(fā)生電路四個模塊，各模塊內容與教學大綱中的組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路、脈沖電路整形與產(chǎn)生四個章節(jié)對應。

該案例中每個模塊均通過運用對應章節(jié)的基本概念和方法設計電路功能，對基本電路的實現(xiàn)能夠達到知識與技能維度的教學目標；每個模塊還設置了以典型中規(guī)模芯片應用為依托的進階任務和以FPGA為開發(fā)平臺的拔高任務，通過分析任務、解決問題、仿真調試電路能夠達到過程與方法維度教學目標；最后一個實驗要求將各模塊聯(lián)合調試，構建符合生活實際的交通信號燈控制電路，通過教師點撥啟發(fā)、學生評價、反思總結等活動達到情感與價值觀維度的教學目標。

（二）各實驗設計

交通信號燈控制電路總體設計要求是實現(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的模式自動工作，具體要求為：（1）南北和東西車輛交替進行，各通行時間30秒。（2）每次綠燈轉為紅燈前，黃燈閃爍3秒。（3）十字路口要有數(shù)字顯示作為時間提示，以倒計時方式提示剩余時間，并按照時序要求進行顯示；即當某方向綠燈亮起時，將顯示器設置為相應值，然后以每秒減1的方式計數(shù)，直至減為“0”，此時十字路口紅、綠燈交換，一個工作循環(huán)結束，隨后進入下一個方向的工作循環(huán)。

將該項目按大綱章節(jié)順序拆解為5個實驗，前4個實驗模塊改進電路過后可成為整體案例中的一個模塊。各實驗在總體項目中發(fā)揮的作用為。

實驗1：狀態(tài)譯碼電路實現(xiàn)。該實驗在總體項目中發(fā)揮的作用是將狀態(tài)轉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、綠三種信號燈的工作狀態(tài)。該實驗的知識與技能目標是掌握常用的組合邏輯函數(shù)描述方式；過程與方法目標為能夠基于門電路、二進制譯碼器芯片和數(shù)據(jù)流級描述語言設計組合邏輯函數(shù)；情感與價值觀目標為初步建立以解決實際問題為導向的工程思維。

實驗2：狀態(tài)轉換電路實現(xiàn)。該實驗是交通信號燈模式轉換的編碼，是控制電路的核心。該實驗的知識與技能目標是掌握觸發(fā)器的工作原理和演化過程；過程與方法目標是能夠使用觸發(fā)器、計數(shù)器芯片和行為級描述語言設計計數(shù)器；情感與價值觀目標為觸發(fā)器演化和改進過程中體現(xiàn)出的科學精神。

實驗3：倒計時及顯示電路實現(xiàn)。該實驗在總體項目中的作用是將各路口信號燈亮的時間進行數(shù)字提示。該實驗的知識與技能目標是掌握減法計數(shù)器和顯示譯碼器的工作原理；過程與方法目標是基于可逆計數(shù)器芯片和結構化描述語言，掌握任意進制計數(shù)器設計方法和顯示譯碼電路設計方法；情感與價值觀目標為自頂向下的系統(tǒng)思維和注重整體功能的大局觀念。

實驗4：秒脈沖發(fā)生電路實現(xiàn)。該實驗為倒計時電路提供頻率為1Hz的時鐘脈沖信號。該實驗的知識與技能目標為掌握“555”電路構成的多諧振蕩器的基本結構和工作原理；過程與方法目標為掌握占空比可調的多諧振蕩器的設計方法和基于硬件描述語言的分頻器設計方法；情感與價值觀目標為培養(yǎng)相關性思維，發(fā)揚嚴謹細致、勇于創(chuàng)新的工匠精神。

實驗5：交通信號燈控制系統(tǒng)總體實現(xiàn)。該實驗為最終的綜合性實驗，旨在完成現(xiàn)實中交通信號燈的控制，以引導車輛安全行駛。該實驗的知識與技能目標為掌握交通信號燈的控制邏輯；過程與方法目標為掌握基于中規(guī)模數(shù)字芯片和FPGA開發(fā)板的子實驗模塊之間邏輯關系的建立與測試方法；情感與價值觀目標為促進學生之間的溝通協(xié)作，培養(yǎng)學生對電子技術的興趣與熱愛，激發(fā)學生面對未來科技挑戰(zhàn)的信心和勇氣。

三、PBL教學模式實施過程與效果

（一）課前準備

課前準備包括教師和學生雙方的充分預備工作。教師在課前需要做的工作主要包括項目選題，實驗任務分解與規(guī)劃，實驗任務發(fā)布以及相關資源推薦。以“交通信號燈控制系統(tǒng)”為例，每個模塊實驗之前的兩周，教師會通過雨課堂平臺發(fā)布實驗任務，明確實驗報告的格式要求，并推送與實驗相關的理論講解視頻和技術文檔。學生在課前的準備工作包括：組成項目小組（每組通常3人），設計實驗方案，進行電路搭建與調試，分析與解決遇到的問題和撰寫實驗報告等。學生小組在課前需通過觀看視頻、查閱資料等方式收集信息，經(jīng)過小組討論實驗設計方案，利用EDA軟件進行電路仿真。根據(jù)仿真電路確定實驗器材，向實驗室管理員申請面包板、元器件和FPGA開發(fā)板后進行電路搭建和測試，撰寫實驗報告，并將實驗結果通過雨課堂反饋給教師。

（二）課中實踐與評價

課中實踐遵循“學生主體，教師主導”的理念，學生需將本組的實驗成果進行展示，分享從任務分析、任務討論、電路實現(xiàn)以及解決難點問題的全過程；教師則通過前期反饋和學生課堂表現(xiàn)，適時進行啟發(fā)，提出擴展性思考題，并有效組織課堂交流與討論。評價過程堅持公平性原則，因此評價小組由教師評價、學生組間評價、小組內評價共同構成。評價指標不僅要體現(xiàn)學生理論掌握情況、電路完成情況、實驗報告撰寫情況，還要考查學生的學習興趣、團隊協(xié)作能力、交流表達能力和項目參與度，每個指標10分，七個評價指標總計70分，最終成績由三個評價組分別給出的分數(shù)取平均值確定。

（三）課后總結與反思

每堂實驗課后，每名學生都會通過課堂擴展性問題的交流與評價分數(shù)反饋，總結自身在實驗任務完成過程中存在的不足，在雨課堂平臺上提交實驗總結與改進思路；教師通過綜合學生課堂表現(xiàn)、評價分數(shù)以及反思報告，及時進行教學總結與反思，包括實驗任務規(guī)劃的合理性、實驗內容的難易程度、課堂實施的教學效果以及教學目標的完成度等方面，并據(jù)此提出改進策略。

（四）實施效果與改進措施

本次案例實施采用對照實驗的方法，實驗組和對照組均為電氣工程及自動化專業(yè)學生。實驗組采用基于PBL模式的實驗案例教學，對照組為傳統(tǒng)驗證性實驗教學，實施周期為一個學期。在學期末通過統(tǒng)計兩個教學班次的終結性考核成績分布、課程設計成績分布和參與電子設計競賽人數(shù)分布。統(tǒng)計結果顯示，在知識與技能、過程與方法、情感與價值觀三維目標達成的過程中，基于PBL模式的數(shù)字電子技術教學明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學模式。同時也發(fā)現(xiàn)，在案例實施過程中，存在三個層次的任務均完成需占用學生大量的課外時間的問題。下一個實施周期中，考慮將基本任務與理論課基本內容相結合，在理論課堂上引導學生完成基本任務并進行仿真實驗，課余時間集中攻關進階任務和拔高任務，使案例實施發(fā)揮更大功效。

本文基于PBL教學模式，提出適合于數(shù)字電子技術課程的實驗案例與實施方法，以“交通信號燈控制系統(tǒng)”為例，設計了實驗教學方案。學生通過四個與大綱要求聯(lián)系緊密的實驗項目，最終完成“交通信號燈控制系統(tǒng)”綜合性設計項目。通過有效的課前準備、課堂討論、課后總結與反思，學生不僅在知識與技能維度上達到了教學大綱要求的標準，而且在過程與方法維度上掌握了數(shù)字電子系統(tǒng)的設計和調試方法，在情感與價值觀維度也構建了基本的工程與系統(tǒng)觀念，形成了嚴謹求實的工程素養(yǎng)，對電類學科競賽的熱情也顯著提升。

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責編：應 圖