基于雙PBL模式的數字電子技術實驗設計案例
——簡易洗衣機控制電路

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)

數字電子技術實驗是自動化類、計算機類和電子信息類專業重要的專業基礎實驗課程[1-3]，與數字電子技術理論課共同為微機原理與接口技術、單片機原理等專業課程的重要理論基礎. 數字電子技術實驗是培養學生實踐能力和創新能力的重要課程，已經有翻轉課堂[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，理論與實踐聯系不緊密[8-9]，而在完成數字電子技術課程知識的系統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]，更有利于激發學生的學習興趣，提高學生的科學素養和系統地分析問題、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模式的數字電子技術實驗的教學改革與探索經驗.

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]將實驗內容之間建立聯系，學生實驗均以項目完成為大方向，每節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，最終形成數字電子技術實踐項目的全部內容.

基于雙PBL模式的數字電子實驗教學方法改變了傳統的以講授和驗證性實驗為主的實驗教學方式，使實驗內容與實際生活密切聯系. 在基于問題的學習模式引導下，學生完成必要的實驗內容，多次實驗的協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新能力.

2 基于雙PBL模式的數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層面以項目為主線，完成項目設計、實驗項目分解；橫向層面是問題設計、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字電子技術課程設計的題目之一，相對難度較高，涉及數字電子技術課程章節內容較全面，一般要求學生在1周內完成. 實驗目的為：

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

2)靈活應用標準集成電路器件,實現規定的數字系統. 教學中注重培養學生獨立思考、獨立資料搜集、獨立設計規定功能的數字系統的能力.

3)培養學生獨立進行實驗的能力(包括電路布局、安裝、調試和排除故障).

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，并數碼顯示.

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

3)倒計時到0時，系統停止工作，數碼管顯示0或不顯示，所有模擬電機正反轉指示燈熄滅.

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指示燈電路. 現象為：電路的輸入為0和1時，電機正轉指示燈亮；輸入2和5時，電機停止，正反轉指示燈均不亮；輸入3和4時，電機反轉指示燈亮.

2)實驗2：加法計數器子項目. 要求利用十進制加法計數器(74LS160)和4位二進制加法計數器(74LS161)設計完成六十進制計數器電路(分鐘脈沖發生器). 可以采用串聯方式或并聯方式完成設計. 其中，串聯方式中74LS160是六十進制計數器的低位，實現十進制加法計數；74LS161是六十進制計數器的高位，實現六進制加法計數.

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

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的脈沖發生器和循環指示燈電路的設計. 555時基電路每秒產生1個時鐘信號并提供給移位寄存器，并按照S0和S1的狀態，完成同步置數，指示燈的左移、右移和停止顯示.

5)實驗5：系統調試子項目. 要求通過電路設計，將前4次實驗的電路模塊組合并協同工作，實現簡易洗衣機控制電路的整體項目調試. 主要內容包含：實驗4的秒脈沖信號與實驗2的六十進制計數器的電路連接，實驗2的六十進制計數器與實驗1的3線8線譯碼器的電路連接，實驗1的分鐘脈沖發生器與實驗3的減法計數器的電路連接，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

基于問題的學習區別于縱向維度的基于項目的學習，是根據每個子項目的具體內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加法計數器的區別是什么？工作原理分別是什么？置數和清零功能的區別是什么？拔高的問題有：在六十進制的計數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？

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：實驗內容設計和課程評價設計.

實驗內容設計包括項目的實驗任務分解，每個實驗的內容設計，以及基于每個實驗內容提出相應的關鍵問題. “簡易洗衣機控制電路”按照內容和難度分為5個子項目，對應5次實驗，每個實驗既相對獨立又可統一，難度適中，所提問題具有啟發性和引導性. 例如，在六十進制加法計數器實驗中提出的問題有：74LS160和74LS161的工作原理？兩者之間的區別？在六十進制中如何設計低位和高位？低位和高位計數器如何完成進制的轉換？教師在實驗前1周需錄制好預習視頻，通過網絡平臺發布給學生，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，而且要強調雙PBL模式中學生的參與度. 因此，數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，同時啟發學生思考與討論. 例如，在減法計數器子項目實驗中，可以與學生探討的問題有：減法計數器74LS190能否工作在加法計數狀態？高位和低位的減法計數器是并行方式還是串行方式？當計數到0時，減法計數器會停止工作嗎？各個小組的設計方案中哪個方案最優？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模式的數字電子技術實驗在自動化專業和光電信息與工程專業完成了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、調試和排除故障的能力明顯優于傳統教學組學生. 根據數字電子課程設計成績統計，雙PBL教學組成績為優秀的學生比例明顯高于傳統教學組，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勢. 以“簡易洗衣機控制電路”為例，設計了基于雙PBL模式的數字電子技術實驗教學方案. 學生通過5個相互關聯的實驗項目，最終完成了較大的綜合性項目設計. 通過問題式的學習，激發了學生的學習熱情；通過項目式的學習，引導學生設計和調試較大的實際工程問題，提高了學生的實踐能力，激發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質量.