PBL教学法在“数字电子技术”中的应用实践

杨 丹， 徐 彬， 李景宏， 刘纪红， 李贞妮

(东北大学 信息科学与工程学院, 沈阳 110819)

“数字电子技术”是自动化类专业的一门专业基础课，对学生从系统角度了解计算机的软硬件资源，培养学生的思维能力具有重要作用。课程内容主要包括数字逻辑电路基础知识、基本门电路、组合逻辑和时序逻辑电路。新工科背景下，本课程要求学生在掌握基本概念、基本原理、基本方法的基础上，加强实验和实训，让学生掌握集成电路的逻辑特性，掌握组合逻辑和时序逻辑电路的分析与设计方法，为今后相关专业课的编程学习打基础。传统“数字电子技术”课堂教学内容偏重于利用分立元器件和芯片设计简单电路，教学内容老化，知识点互相独立，没有突出专业教学体系结构中硬件及组成原理所要掌握的重点，与后续课程连贯性不强，与计算思维培养的要求相去甚远。教学中学生主要以听为主，留给学生们自己独立做实验的时间比较少，很难让学生真正认识数字逻辑电路的设计思路，实验完成主要是照着教师的电路原理图进行连线，不能把主要精力放在数字系统的各种逻辑运算和逻辑处理的设计上，最终导致学生无法及时发现电路设计缺陷所在，无法锻炼学生独立设计电路的能力。

以问题为导向的教学方法PBL(Problem Based Learning)是美国的神经病学教授Barrows在加拿大的麦克马斯特大学提出来的，现已成为国际上较流行的一种教学方法。该方法是将所要学习的知识以问题的方式提出来，可以有效地调动学生学习的主动性和积极性。传统的教学方法中，知识是点状或片状分布的，学生学习了某个具体的知识点但缺乏将所学知识点融会贯通，形成知识体系。PBL则强调把学习置于复杂的有意义的问题情境中，通过让学习者解决复杂的、实际的或真实性的问题，来学习隐含于问题背后的科学知识，因此容易使学生完成知识的同化和重组，对于提高学生的学习效果，建立完整的认知体系具有重要的作用。

新工科环境下，要求高校注重学生的系统认知的建立、强调分析、设计、应用等能力的培养，使得学生走出校门能够快速适应以新技术、新业态、新产业为特点的新经济发展，这就要求我们必须从问题出发对“数字电子技术基础”课程的教学模式进行改革。

1 课程改革的内容

如何有效结合自动化专业的特点，实现PBL教学方法与数字电子技术基础知识体系的深度融合，实现新工科要求下自动化类专业人才培养目标。我校“数学电子技术”课程改革主要从如下三个方面开展。

1.1 研究面向PBL教学实施的“数字电子技术”教学内容设计

针对目前“数字电子技术”教学内容与PBL教学方法实施需求之间存在的不足，重点研究面向学生问题化教学学习的“数字电子技术”教学内容设计。首先对教学内容进行评估，列出组合电路和时序电路、半导体存储器、555定时器、A/D 和 D/A等内容为课程的难点和重点，设计相应体现知识点的问题化导向教学方案，强调在保留基础和精髓的原则上给学生留出自学和发散思维的空间。

1.2 研究基于软硬结合的知识点PBL教学仿真改革

分析现有数字逻辑教学模式问题，在理论教学中研究如何利用Multisim仿真软件，进行数字逻辑电路的实验，完成数字电路的测试与验证，主要包括集成门电路测试、组合逻辑电路设计及常见小规模逻辑电路设计。研究适合采用VHDL进行数字逻辑单元电路设计及仿真。探究“数字电子技术”中硬件和软件仿真过程中的仿真现象，从仿真现象提出问题，引导学生不仅了解芯片的原理，掌握设计完成出芯片的功能，通过软硬结合的仿真现象导向，优化整合教学内容，提升教学效果。

1.3 研究结合混合式教学，小班授课深化PBL教学方法

针对新型的培养模式将工程毕业生的能力培养分为工程基础知识、个人能力、团队合作能力和工程系统能力4个层面，要求以综合的培养方式使学生在这4个层面达到预定目标。在“数字电子技术”的混合式教学中，探索PBL的教学方法改革。学生以小组为单位，以学生分析讨论为主，教师讲授为辅，通过问题化教学内容，通过竞争机制引导学生思考，拓展学生的学习思路，探索多媒体互动学习方式，拟利用线上Mooc学习、雨课堂的app互动，增加师生多元互动。

2 实施方案

2.1 “数字电子技术”教学内容的设计

“数字电子技术”课程概念性、实践性、工程性都很强，教学中应特别注重理论联系实际和工程应用背景；主要讨论集成电路器件的外部特性，对门电路内部晶体管的工作原理及状态转换只作定性了解。要求学生掌握数字电路的基本概念、基本原理和基本方法，了解基于VHDL的FPGA 数字设计技术和工具。数字电路部分要求学生掌握数制及编码、逻辑代数及逻辑函数的知识；掌握组合逻辑电路的分析与设计方法，熟悉常用的中规模组合逻辑部件的功能及其应用；掌握同步时序逻辑电路的分析和设计方法，典型的中大规模时序逻辑部件。为“微处理器与系统设计”“嵌入式系统”“数字通信”等后续课程进行了基础知识准备。基于上述课程目标及需求，结合PBL教学方法，设计教学内容如下：

(1)基本知识的学习：数制与编码、逻辑代数与逻辑函数化简、VHDL真值表和VHDL逻辑表达式、组合逻辑电路及VHDL描述。

(2)综合能力的提升：MSI组合逻辑电路的分析和设计方法、触发器原理及逻辑功能、触发器的VHDL描述、同步时序电路的分析与设计方法、MSI同步时序电路的分析和设计方法、555定时器原理及典型应用、ROM的基本原理及应用。

(3)创新知识的运用：DA和AD转换器的原理及应用、555定时器、计数器及DA和AD的综合应用、VHDL的数字频率计FPGA设计。

2.2 基于软硬结合的知识点PBL教学仿真

考虑到“数字电子技术”课程实践性强的特点，将知识点围绕问题展开，采用软件Multisim仿真和VHDL语言设计综合的教学过程，步骤如下：

1) 组合逻辑电路Multisim仿真设计

组合逻辑电路仿真：对于三人表决、一位全加器、奇偶校验器等中规模组合电路，分别通过逻辑门搭建等效逻辑电路实现MSI组合逻辑电路功能和仿真基于MSI组合逻辑芯片的应用组合电路。时序电路仿真：对于计数器，分别采用触发器和中规模计数芯片实现，如74160、74161等，在仿真过程中根据问题回溯，探寻理论依据。

2)综合逻辑电路VHDL设计

以“篮球24秒显示报警电路设计”项目为例，项目实施分为构思阶段、设计阶段、实施阶段。PBL教学能力培养层次分为入门基础、完善提高和能力进阶：①入门基础：要求实现二极管10秒显示和数码管10秒显示，知识点包括二极管共阴共阳数制、编码门电路、数码显示原理、译码器、编码器触发器；采用Multisim仿真和FPGA实验箱实现；②完善提高：要求24秒进攻违例显示(Multisim仿真)、开关防抖、声光报警(FPGA实验箱实现)；知识点包括多谐振荡器、锁存器、计数器、反馈控制电路、组合逻辑和时序逻辑；③能力进阶：类比交通灯控制电路、数字显示抢答器电路、数字钟电路，均通过FPGA实验箱仿真实现设计。

2.3 结合混合式教学，小班授课深化PBL教学方法

本校在中国MOOC上的“数字电子技术”线上课程已积极开展自动化专业的数字逻辑混合式教学，课程成绩由线上课程和线下成绩组成，混合式教学在东北大学智慧教室实施。实施线上学习12学时，线下翻转课堂教学6学时。线上12学时学习内容主要包括：卡诺图化简法、MSI构成的组合电路设计、MSI集成计数器构成任意计数器、可编程逻辑器件概述、开发流程、表示方法及FPGA等。

1) 第一次翻转课堂：逻辑函数的卡诺图化简法

引导问题：

(1)为什么采用卡诺图对逻辑函数进行化简？

(2)卡诺图中最小项的排列顺序是怎样形成的，有什么样的特点？

(3) 卡诺图的一般化简方法？

(4)引入无关项后的卡诺图化简与不采用无关项的卡诺图化简的区别，为什么无关项的引入不会影响实际应用？

2) 第二次翻转课堂：组合逻辑电路设计

引导问题：

(1)组合逻辑电路设计方法有哪些？

(2)数据选择器有哪几种常用的设计方法？

(3)74138的使能端有什么要求？如何将逻辑函数用74138来表示？

(4)在组合电路设计时，器件的选型应该注意什么？

3) 第三次翻转课堂：综合逻辑电路设计

引导问题：

(1)计数器有哪些常用的芯片？

(2)构成任意计数器有哪些常用的设计方法？

(3)74161芯片中置位端和清零端分别有效时对状态转换图的影响有什么不同？

(4)74161能否用作寄存器？如何使用？

每次翻转课堂中，学生均以小组为单位，实现教学内容安排，并针对提出的引导问题，深入思考，进一步加强理论教学内容的理解。

4 结语

教学理念及设计已应用于我校自动化专业的“数字电子技术”课程。实施过程中试点，选取2个班、60人作为试点班级。目前，试点教学效果良好，下一步将会深化教学实践改革，对比数据分析，优化实践效果。