PBL教學法在“數(shù)字電子技術(shù)”中的應(yīng)用實踐

楊 丹， 徐 彬， 李景宏， 劉紀紅， 李貞妮

(東北大學 信息科學與工程學院, 沈陽 110819)

“數(shù)字電子技術(shù)”是自動化類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，對學生從系統(tǒng)角度了解計算機的軟硬件資源，培養(yǎng)學生的思維能力具有重要作用。課程內(nèi)容主要包括數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識、基本門電路、組合邏輯和時序邏輯電路。新工科背景下，本課程要求學生在掌握基本概念、基本原理、基本方法的基礎(chǔ)上，加強實驗和實訓(xùn)，讓學生掌握集成電路的邏輯特性，掌握組合邏輯和時序邏輯電路的分析與設(shè)計方法，為今后相關(guān)專業(yè)課的編程學習打基礎(chǔ)。傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”課堂教學內(nèi)容偏重于利用分立元器件和芯片設(shè)計簡單電路，教學內(nèi)容老化，知識點互相獨立，沒有突出專業(yè)教學體系結(jié)構(gòu)中硬件及組成原理所要掌握的重點，與后續(xù)課程連貫性不強，與計算思維培養(yǎng)的要求相去甚遠。教學中學生主要以聽為主，留給學生們自己獨立做實驗的時間比較少，很難讓學生真正認識數(shù)字邏輯電路的設(shè)計思路，實驗完成主要是照著教師的電路原理圖進行連線，不能把主要精力放在數(shù)字系統(tǒng)的各種邏輯運算和邏輯處理的設(shè)計上，最終導(dǎo)致學生無法及時發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計缺陷所在，無法鍛煉學生獨立設(shè)計電路的能力。

以問題為導(dǎo)向的教學方法PBL(Problem Based Learning)是美國的神經(jīng)病學教授Barrows在加拿大的麥克馬斯特大學提出來的，現(xiàn)已成為國際上較流行的一種教學方法。該方法是將所要學習的知識以問題的方式提出來，可以有效地調(diào)動學生學習的主動性和積極性。傳統(tǒng)的教學方法中，知識是點狀或片狀分布的，學生學習了某個具體的知識點但缺乏將所學知識點融會貫通，形成知識體系。PBL則強調(diào)把學習置于復(fù)雜的有意義的問題情境中，通過讓學習者解決復(fù)雜的、實際的或真實性的問題，來學習隱含于問題背后的科學知識，因此容易使學生完成知識的同化和重組，對于提高學生的學習效果，建立完整的認知體系具有重要的作用。

新工科環(huán)境下，要求高校注重學生的系統(tǒng)認知的建立、強調(diào)分析、設(shè)計、應(yīng)用等能力的培養(yǎng)，使得學生走出校門能夠快速適應(yīng)以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)為特點的新經(jīng)濟發(fā)展，這就要求我們必須從問題出發(fā)對“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學模式進行改革。

1 課程改革的內(nèi)容

如何有效結(jié)合自動化專業(yè)的特點，實現(xiàn)PBL教學方法與數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識體系的深度融合，實現(xiàn)新工科要求下自動化類專業(yè)人才培養(yǎng)目標。我?！皵?shù)學電子技術(shù)”課程改革主要從如下三個方面開展。

1.1 研究面向PBL教學實施的“數(shù)字電子技術(shù)”教學內(nèi)容設(shè)計

針對目前“數(shù)字電子技術(shù)”教學內(nèi)容與PBL教學方法實施需求之間存在的不足，重點研究面向?qū)W生問題化教學學習的“數(shù)字電子技術(shù)”教學內(nèi)容設(shè)計。首先對教學內(nèi)容進行評估，列出組合電路和時序電路、半導(dǎo)體存儲器、555定時器、A/D 和 D/A等內(nèi)容為課程的難點和重點，設(shè)計相應(yīng)體現(xiàn)知識點的問題化導(dǎo)向教學方案，強調(diào)在保留基礎(chǔ)和精髓的原則上給學生留出自學和發(fā)散思維的空間。

1.2 研究基于軟硬結(jié)合的知識點PBL教學仿真改革

分析現(xiàn)有數(shù)字邏輯教學模式問題，在理論教學中研究如何利用Multisim仿真軟件，進行數(shù)字邏輯電路的實驗，完成數(shù)字電路的測試與驗證，主要包括集成門電路測試、組合邏輯電路設(shè)計及常見小規(guī)模邏輯電路設(shè)計。研究適合采用VHDL進行數(shù)字邏輯單元電路設(shè)計及仿真。探究“數(shù)字電子技術(shù)”中硬件和軟件仿真過程中的仿真現(xiàn)象，從仿真現(xiàn)象提出問題，引導(dǎo)學生不僅了解芯片的原理，掌握設(shè)計完成出芯片的功能，通過軟硬結(jié)合的仿真現(xiàn)象導(dǎo)向，優(yōu)化整合教學內(nèi)容，提升教學效果。

1.3 研究結(jié)合混合式教學，小班授課深化PBL教學方法

針對新型的培養(yǎng)模式將工程畢業(yè)生的能力培養(yǎng)分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、團隊合作能力和工程系統(tǒng)能力4個層面，要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這4個層面達到預(yù)定目標。在“數(shù)字電子技術(shù)”的混合式教學中，探索PBL的教學方法改革。學生以小組為單位，以學生分析討論為主，教師講授為輔，通過問題化教學內(nèi)容，通過競爭機制引導(dǎo)學生思考，拓展學生的學習思路，探索多媒體互動學習方式，擬利用線上Mooc學習、雨課堂的app互動，增加師生多元互動。

2 實施方案

2.1 “數(shù)字電子技術(shù)”教學內(nèi)容的設(shè)計

“數(shù)字電子技術(shù)”課程概念性、實踐性、工程性都很強，教學中應(yīng)特別注重理論聯(lián)系實際和工程應(yīng)用背景；主要討論集成電路器件的外部特性，對門電路內(nèi)部晶體管的工作原理及狀態(tài)轉(zhuǎn)換只作定性了解。要求學生掌握數(shù)字電路的基本概念、基本原理和基本方法，了解基于VHDL的FPGA 數(shù)字設(shè)計技術(shù)和工具。數(shù)字電路部分要求學生掌握數(shù)制及編碼、邏輯代數(shù)及邏輯函數(shù)的知識；掌握組合邏輯電路的分析與設(shè)計方法，熟悉常用的中規(guī)模組合邏輯部件的功能及其應(yīng)用；掌握同步時序邏輯電路的分析和設(shè)計方法，典型的中大規(guī)模時序邏輯部件。為“微處理器與系統(tǒng)設(shè)計”“嵌入式系統(tǒng)”“數(shù)字通信”等后續(xù)課程進行了基礎(chǔ)知識準備?；谏鲜稣n程目標及需求，結(jié)合PBL教學方法，設(shè)計教學內(nèi)容如下：

(1)基本知識的學習：數(shù)制與編碼、邏輯代數(shù)與邏輯函數(shù)化簡、VHDL真值表和VHDL邏輯表達式、組合邏輯電路及VHDL描述。

(2)綜合能力的提升：MSI組合邏輯電路的分析和設(shè)計方法、觸發(fā)器原理及邏輯功能、觸發(fā)器的VHDL描述、同步時序電路的分析與設(shè)計方法、MSI同步時序電路的分析和設(shè)計方法、555定時器原理及典型應(yīng)用、ROM的基本原理及應(yīng)用。

(3)創(chuàng)新知識的運用：DA和AD轉(zhuǎn)換器的原理及應(yīng)用、555定時器、計數(shù)器及DA和AD的綜合應(yīng)用、VHDL的數(shù)字頻率計FPGA設(shè)計。

2.2 基于軟硬結(jié)合的知識點PBL教學仿真

考慮到“數(shù)字電子技術(shù)”課程實踐性強的特點，將知識點圍繞問題展開，采用軟件Multisim仿真和VHDL語言設(shè)計綜合的教學過程，步驟如下：

1) 組合邏輯電路Multisim仿真設(shè)計

組合邏輯電路仿真：對于三人表決、一位全加器、奇偶校驗器等中規(guī)模組合電路，分別通過邏輯門搭建等效邏輯電路實現(xiàn)MSI組合邏輯電路功能和仿真基于MSI組合邏輯芯片的應(yīng)用組合電路。時序電路仿真：對于計數(shù)器，分別采用觸發(fā)器和中規(guī)模計數(shù)芯片實現(xiàn)，如74160、74161等，在仿真過程中根據(jù)問題回溯，探尋理論依據(jù)。

2)綜合邏輯電路VHDL設(shè)計

以“籃球24秒顯示報警電路設(shè)計”項目為例，項目實施分為構(gòu)思階段、設(shè)計階段、實施階段。PBL教學能力培養(yǎng)層次分為入門基礎(chǔ)、完善提高和能力進階：①入門基礎(chǔ)：要求實現(xiàn)二極管10秒顯示和數(shù)碼管10秒顯示，知識點包括二極管共陰共陽數(shù)制、編碼門電路、數(shù)碼顯示原理、譯碼器、編碼器觸發(fā)器；采用Multisim仿真和FPGA實驗箱實現(xiàn)；②完善提高：要求24秒進攻違例顯示(Multisim仿真)、開關(guān)防抖、聲光報警(FPGA實驗箱實現(xiàn))；知識點包括多諧振蕩器、鎖存器、計數(shù)器、反饋控制電路、組合邏輯和時序邏輯；③能力進階：類比交通燈控制電路、數(shù)字顯示搶答器電路、數(shù)字鐘電路，均通過FPGA實驗箱仿真實現(xiàn)設(shè)計。

2.3 結(jié)合混合式教學，小班授課深化PBL教學方法

本校在中國MOOC上的“數(shù)字電子技術(shù)”線上課程已積極開展自動化專業(yè)的數(shù)字邏輯混合式教學，課程成績由線上課程和線下成績組成，混合式教學在東北大學智慧教室實施。實施線上學習12學時，線下翻轉(zhuǎn)課堂教學6學時。線上12學時學習內(nèi)容主要包括：卡諾圖化簡法、MSI構(gòu)成的組合電路設(shè)計、MSI集成計數(shù)器構(gòu)成任意計數(shù)器、可編程邏輯器件概述、開發(fā)流程、表示方法及FPGA等。

1) 第一次翻轉(zhuǎn)課堂：邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡法

引導(dǎo)問題：

(1)為什么采用卡諾圖對邏輯函數(shù)進行化簡？

(2)卡諾圖中最小項的排列順序是怎樣形成的，有什么樣的特點？

(3) 卡諾圖的一般化簡方法？

(4)引入無關(guān)項后的卡諾圖化簡與不采用無關(guān)項的卡諾圖化簡的區(qū)別，為什么無關(guān)項的引入不會影響實際應(yīng)用？

2) 第二次翻轉(zhuǎn)課堂：組合邏輯電路設(shè)計

引導(dǎo)問題：

(1)組合邏輯電路設(shè)計方法有哪些？

(2)數(shù)據(jù)選擇器有哪幾種常用的設(shè)計方法？

(3)74138的使能端有什么要求？如何將邏輯函數(shù)用74138來表示？

(4)在組合電路設(shè)計時，器件的選型應(yīng)該注意什么？

3) 第三次翻轉(zhuǎn)課堂：綜合邏輯電路設(shè)計

引導(dǎo)問題：

(1)計數(shù)器有哪些常用的芯片？

(2)構(gòu)成任意計數(shù)器有哪些常用的設(shè)計方法？

(3)74161芯片中置位端和清零端分別有效時對狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的影響有什么不同？

(4)74161能否用作寄存器？如何使用？

每次翻轉(zhuǎn)課堂中，學生均以小組為單位，實現(xiàn)教學內(nèi)容安排，并針對提出的引導(dǎo)問題，深入思考，進一步加強理論教學內(nèi)容的理解。

4 結(jié)語

教學理念及設(shè)計已應(yīng)用于我校自動化專業(yè)的“數(shù)字電子技術(shù)”課程。實施過程中試點，選取2個班、60人作為試點班級。目前，試點教學效果良好，下一步將會深化教學實踐改革，對比數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化實踐效果。