问题解决法在“电路CAD”课程教学中的应用

2010-03-21续欣莹

太原理工大学学报（社会科学版） 2010年2期

谢珺，续欣莹

(太原理工大学信息工程学院，山西太原 030024)

随着计算机技术的快速发展，电路计算机辅助设计(电路CAD)技术有了长足进步，许多电路设计软件应运而生。正是这些软件的广泛应用，实现了电路原理图绘制标准化，原理图转换成电路板版图自动化，另外这些软件还可以对电路的功能进行仿真测试，其不仅能满足日益精密的设计要求，而且还能将电路设计人员从繁重的工作中解脱出来。随着“电路CAD”技术的广泛应用，电子类企业对熟练掌握该技术人才的需求也在不断增加，为了适应这种需求，“电路CAD”课程已成为高等院校信息工程、通信工程等专业学生学习的主要课程。

“电路CAD”课程是一门实践性较强的课程，它是以应用EWB5.0、Protel99SE等软件进行电路设计与仿真为主。其传统的授课方法是围绕软件的操作，以讲授软件操作命令为主，与电路的设计联系不紧密，无法达到良好的教学效果。为了真正达到“围绕实践、重在应用”的教学原则，笔者在“电路CAD”课程教学过程中使用了问题解决法，将琐碎的内容按相关性整合，并设计成一组关联的问题，围绕这些问题组织和开展教学，引导学生集思广益，自主找到解决问题的方法，从而调动了学生的主观能动性，激发了他们的学习兴趣，实践表明使用问题解决法起到了良好的教学效果。

一、问题解决法的教学模式

问题解决法的教学模式是美国教育界20世纪80年代首先发展起来的一种教学模式，它以解决问题为中心，注重学生的独立活动，着眼于其创造性思维、意志力和知识迁移能力的培养。问题解决法针对不同的情境提出问题，引导受教育者以“问题解决”者的身份，从初始状态，经过一步一步地中间状态，最后采用较为灵活的策略去解决[1-2]。

近几年来，许多国家的教育系统已将问题解决法的成果与模式融会于日常教学中，制定了具体的目标与培养计划。

问题解决法要求教师为学生创造具体环境，提出有待探索及求证的一系列问题，启发学生独立地多向思维，寻找在不同条件下的多种解决问题的途径，探索可能出现的多种答案。因此，问题解决法是培养与发展学生创造性思维能力的重要教学方法与教育手段。问题解决法体现了新的教育理念，它对促进学生的全面发展具有重要意义，在培养创新精神方面具有独特的价值[2]。

一般来说，问题解决法的流程是：(1)设计情境，提出问题；(2)分析问题，解决问题；(3)回顾，归纳及得出结论[3-4]。

二、问题解决法在“电路CAD”课程中的应用

问题解决法在“电路CAD”课程的课堂教学中以发挥学生的学习主动性展开教学。从教学内容上看，将整个课程分成以启发学习阶段(课堂上完成)、问题解决阶段(课下和实验室完成)两个由浅入深的阶段展开。在启发学习阶段中，用一个电路的PCB 版图为实例，老师以提问的方式，逐步深入地引导学生使用软件来设计电路，并给出设计方案，让学生了解和认识EWB5.0、Protel99SE软件进行电路原理图和PCB 版图的绘制方法与步骤，加深他们对软件操作知识点的理解。在问题解决阶段中，让学生上机操作，亲手绘制自己设计出来的电路的PCB 版图，并对设计出来的电路进行仿真测试。

本文以抢答器电路设计为例，具体说明问题解决法在“电路CAD”课程教学中的实施步骤。

(一)设计情境，提出问题

该步骤要求教师向学生提出问题后，重点讲解待解决问题的理论或实际背景，帮助学生了解其学习目的，进入良好的学习状态。

情境：外语系要举办一个英语知识竞赛，需要使用抢答器。抢答器的功能要求如下：(1)可同时供四名选手参加竞赛；(2)由主持人宣布抢答开始和抢答复位。同学们能否为他们设计一个符合要求的抢答器呢？(给同学们20分钟的时间讨论)。

由于有了这样的应用背景，学生们一下子就兴奋起来了，由3-4人为一组开始讨论解决问题的方案。鉴于学生在本课程之前已经系统地学习了模拟电子技术和数字电子技术课程，因此在该情境下，学生能将已掌握的相关知识融入本课程的学习中，这样不仅能做到知识的前后衔接，提高学生的学习兴趣，还能提高学生应用所学知识解决问题的能力。

(二)分析问题，解决问题

该步骤要求教师围绕教学中提出的问题，逐步启发学生、给出解决方案，并且尽可能让学生使用“头脑风暴”来给出多种解决方法，如下例。

教师：抢答器的主要功能有哪些呢？

学生：定时(倒计时)、抢答。

教师：对，那么怎样实现倒计时功能呢？

学生：用减法计数器。

教师：哪些芯片有减法计数功能呢？

学生：74LS192、74LS161。

教师：怎样实现抢答呢？我们怎样知道是几号选手抢答到了？

学生：可以给每位选手先编码，通过译码器得知抢答成功的选手，并通过七段数码管显示该选手的编号。

教师：抢答开始后，如果有两名选手几乎是同时按下抢答器，怎样才能知道是谁先按下抢答器呢？

学生：若有多名选手几乎是同时按动抢答按钮，优先抢答的选手编号会输入回路封锁，禁止其他选手抢答。

教师：还有两个关键问题，当主持人宣布“开始”时，如何实现报警器发声，且抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态？当参赛选手按动抢答键时，又怎么实现报警器响，且抢答电路和定时电路停止工作？

学生：这两个问题可以通过设计时序控制电路来实现，时序控制电路可以用软件中集成的脉冲信号发生器来产生，也可以用74LS121来产生。

到此为止，一个简单抢答器的基本功能就实现了。为了激发学生们的创造性，教师可以做更深入的问题引导，例如：

教师：如果主持人宣布抢答开始后，没有选手抢答，考虑这种情况的话，该怎样设计抢答器呢？

学生：如果时间到没人抢答的话，可以设置报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。

上述问题的设置，有效激发了学生自主地进行电路设计的积极性。

(三)回顾，归纳及得出结论

该步骤要求教师根据学生提出的多种方案，总结利弊，理顺解决问题的思维通道，强化学生的认识过程。

在上例中，计数器的设计有两种方案：一种74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能；一种74LS161是4位二进制同步计数器。经过分析及研究，大家决定采用74LS192为倒计时定时电路的核心芯片。再如脉冲电路的设计，如采用74LS121计数器，这样又给学生提供一次电路设计的机会，而如用软件自带的脉冲信号发生器，学生就会缺少一次设计脉冲电路的机会。

三、应用问题解决法的效果与思考

通过对教学方法的研究，依据授课内容，选择问题解决法的教学模式，体现了启发式教学思想的内涵。实践证明，问题解决法对教师和学生有很大的帮助，特别为学生的创新精神和实践能力的培养奠定了基础，使学生的独立解决问题的意识增强，依赖课堂、依赖教师的惰性大大减少，学生因此能主动、充分和有效地进行学习。该教学方法充分体现了以教师为主导、以学生为主体的教学思想。