以问题为导向的项目式学习教学模式研究——以电子类专业基础课为基础

罗春娅，马智超

（1.湖北第二师范学院 物理与机电工程学院，武汉 430205；2.湖北省环境净化材料工程技术研究中心，武汉 430205）

1 引言

教育部制定的《普通高等教育本科专业目录和专业介绍》中对于电子科学与技术专业的人才培养目标是培养具有电子技术和信息系统的基础知识，能从事各类电子设备和信息系统的研究、设计、制造和开发的高等工程技术人才。[1]一系列的调研和教学实践表明[2-3]，目前电子类专业的人才培养集中的问题在于专业实践能力的培养，特别是综合实践能力。但在具体教学工作中还是存在以下的问题：一是学校教师重视理论课程的教学，对于专业实践能力的重视普遍欠缺，对于学生的实践指导相对不足；二是专业实践课程中，重视验证性的实践，轻视创造性和综合性的项目，各个实践项目之间的逻辑联系和衔接失当，缺乏中等难度和衔接性的实验，导致实践课程的培养目标打折；三是在读学生的专业实践技能主要依赖于仿真，实际动手能力稍弱，特别是对于实际问题的综合分析和解决能力缺乏；四是实践类课程的评价单一，学生重视不够，导致毕业生对毕业设计的无解和困惑。

基于电子类专业的人才培养目标，综合以上专业课程中遇到的问题，为了让本专业的学生有更好就业机会，改革专业基础课程的教学方法和学习方法，促进电子科学与技术专业人才实践能力的提升迫在眉睫。

国内外关于提高人才培养质量也进行了大量研究[4-6]，研究表明：项目式学习（Project-based Learing，PBL）和以问题为导向的学习（Problem-based Learing，PBL）模式作为有效的教学方法，对培养学生的实践能力具有显著优势和成效，该方法为电子类专业实践教学的改革和探索提供了新思路。

2 以问题为导向的项目式学习模式探索

2.1 问题导向式学习（问题式PBL）的内涵

问题导向式学习虽然没有统一的定义，但都认为是以问题为基础，以学生为主体的新型教学方式。主要是在理论和实践之间，教育和专业运用之间搭建问题的桥梁，通过解决问题来促进学生的个人发展和学科进步，培养具有实践精神的个体。Howard Barrows认为在问题导向式学习中，学生以小组为单位，围绕问题进行学习，其中，学生是中心。[7]

该教学方法主张让学生在解决问题的过程中，自我驱动，促进学生对于知识的渴望。该学习模式使得学生面临一系列的问题，在问题情境中思考解决方案，让学生在问题探究完成以后形成对知识系统性的理解。需要探索的问题主要根据课程大纲，由老师提供。该教学法有固定的实施流程：根据教师给出的问题、同学们分组、自行查文献解决问题、后面是汇报、反思。这一整套流程更多地运用在理论建构中，主要在医学教育、法律、经济和心理学中，一般所花的时间不长。

有学者研究发现，问题式PBL在大学实践教学应用中存在一些明显的不足和局限［8］，其中尤为突出的是在问题的提出上，具体表现为教师在理论教学问题的设计必须基于课程大纲，很多问题可能不需要深入思考，仅仅通过阅读教材或者参考书就可以得到答案，甚至有的同学会上网搜索答案，不能充分发展学生的知识运用能力。而且，相比较于传统教学法，这种教学形式的评价较为单一。

2.2 项目式学习（问题式PBL）的内涵

项目式学习也是一种基于建构主义理论的学习模式，近些年来受到了国内外学者的重点关注[9]。来源是著名教育家John Deway提倡的“做中学”。他的学生Kilpatrick 受他影响，基于心理学和教育学的角度提出的教学方法。指的是教师将学生的学习任务项目化，指导学生根据真实情景提出问题，让学生利用所学的知识开展研究设计，解决项目。学生在解决项目的过程中，掌握所需的知识和技能。目前，该方法强调用工程方法去鼓励学生参加教学活动，没有固定的实施步骤，注重项目作品的制作，学习成果以物化的方式呈现。该方法被广泛运用在计算机科学和工程学等学科，不同项目可能花费的时间不同。

该方法作为改革教学模式的新方法，对于学生的创新精神和实践能力作用巨大，但它也有自己的不足。关于项目式PBL的调查表明[10]：目前，学生参与项目式PBL的活动类型主要表现为参加各种专业竞赛：本专业主要是电子竞赛和机器人的各种比赛，形式较为单一。而这个设计项目的过程，教师在整合相关专业知识的基础上，缺乏针对课程大纲和人才培养目标、具有教育功能的项目，对于基础薄弱的同学不太友好。项目设计主题综合性太强，而且来源单一使得题目很容易同质化，也很容易脱离真实实践环境，造成学生对于项目主体的理解不够，学习效果不好；学生对题目的变化应对能力稍弱，没有很强的基础知识来扩展，片面性加大。学生掌握的理论知识没有系统化，呈现碎片化的趋势。而在真实的教学过程中，部分同学因为参加专业竞赛，对于项目的理解更好，而有的同学基础较差，完全无法完成制定的项目，给学生的学习积极性造成较大挫折。这给我们一些启示：将项目式学习的应用效果落实，要根据课程大纲的培养目标，提出有针对性的项目，并根据不同学生的基础，完成不同阶段性的成果。

2.3 以问题为导向的学习和项目式学习相结合的互补性

而从以上问题式PBL和项目式PBL的内涵可以看出：这二者作为新型教学法，都重视学生在学习中的主体地位，让学生围绕问题进行探究来发展学生的学习能力，各自都有自己不可替代的优势，在开展过程中也存在一些互补性。问题式PBL在基本理论教学中为学生针对知识点提出系统化的专业知识体系，让学生不仅会解决问题，还对知识体系有一个系统的了解和认识，这对于项目式PBL 的可扩展性是一个强有力的补充；而基于项目式PBL创设的各个项目虽然没有问题式PBL更具有系统性，但它更具有特色，更具有可扩展性和创新性，可以为发展后来的分层教学提供坚实的基础，也为多元评价提供了有力支撑和依据。这些都可以有效弥补问题式PBL的不足。而项目式PBL的优势在于让每一个学生都有收获，也有挑战，对于学生的学习投入和学习动机效果显著。特别是在电子学相关专业课的教授上，两者结合，具有极大的现实意义。

因此，整合两种PBL，两者合理组织嵌套，有计划合并，形成双PBL（Double PBL，DPBL）模式，可以克服各自的问题，实现功能性的互补，为培养人才和教学提供了新思路。

3 基于问题导向的项目式学习（DPBL）改革电子类专业实践教学的构想与探索

3.1 总体构想

电子科学与技术专业是从人才培养目标就决定了应用实践能力培养的重要性，而实践能力强并不等于只会做项目，还必须在面对新问题时，有一定理论基础，可以创造性地解决面临的突发性的新问题。

《关于进一步加强高校实践育人工作的若干意见》明确提出：实践教学方法改革是推动人才培养模式改革的关键。各高校都要进一步加强综合性实践科目的设计。[11]根据这一政策，本专业开设的数字电子技术课程，采用DPBL的教学方法，不仅与专业人才培养目标一致，而且还可以弥补专业实践教学中的薄弱环节。因为该方法既可以充分发挥问题式PBL的优势，基于课程大纲和前后知识点的联系创设与专业相关的问题式项目主题，为学生系统掌握专业知识提供媒介，有效避免单一的项目式PBL存在的欠缺学科关联性和体系性的问题；而另一方面，也可以充分发挥项目式PBL的优势，对学生的问题式PBL进行全程结构性指导和扩展，有效避免单一的问题式PBL中项目主题的同质化问题。在实际教学过程中，可以借助项目式PBL的要求，发展校内外“双导师”实践指导团队，基于电子综合实践共同培养学生的实践能力。

综上所述，我们可以将电子科学与技术专业人才的培养目标与相关的教学联系起来：在学校课程的理论教学采用问题式PBL教学法，将知识点细化成一些小的问题，每个问题只针对具体的一个知识点；而在实践和实验教学中，根据社会需求将实验室和实践基地互通，共同开发电路相关课程的实践类问题或者项目，采用项目式PBL的学习方式，将综合性的实验实践与项目教学连接起来。这样，经过一轮完整的理论和实验实践教学的学生既具有扎实的理论基础，又有灵活的项目开发能力。如图1所示，项目式PBL与问题式PBL融合有6个规范步骤。在这些步骤里，学生和教师交互，经过理论学习，完成多个基础实验后，能够具有开发和扩展实验的能力。

图1 基于问题的项目式电子科学与技术课程教学的总体构想

3.2 实施数字电路课程的方案举例

具体的实施方法可以通过具体课程来体现。这里以电子类专业基础课数字电路为例：首先，我们根据数字电路课程的课程大纲，得到如图2所示的课程思维导图，当然，里面还有几个小的知识点没有呈现：555定时器、A/D和D/A转换器等。

图2 数字电路课程的知识点思维导图

根据本科学院具体的教学流程，不时有学生因为一些原因线上上课。所以，一个班级的具体上课情况是同学们同时在线上线下上课。为了促进上课效率，提升课堂质量，同时克服线上学习效率低的问题。该基于问题的项目式PBL教学法确实有其独到的优势。对学生而言，兼顾了效率和考核公平。也就从基本上解决了我们面临的四个问题：

3.2.1 可以克服只重视理论教学的问题。采用以上DPBL的教学方法，将从思想上克服重视理论教学而忽视或者不重视实际动手能力的问题，不会在人才培养的最终目标上打折扣。当然，因为教学上对于实践能力的重视，我们的成绩组成也需要一定改变，如表1所示。实验在成绩评定中的作用加强，平时的作业加上了仿真等任务。首先，该方法因为是基于问题，基于项目的，所以，必须是解决问题和实现项目的项目要求才是最终目标。所以，该方法在一开始就给老师定了基调：解决问题为主，实现项目目标为主。学生知道要具体实现项目才算。这样，他们会带着问题去找答案，自己动手做完项目才有具体的成绩，而在问题式PBL教学中，学生必须弄清楚基本解决问题的步骤和方法。在后面的项目式PBL教学中，教师可以根据不同学生的基础，对于题目提出不一样的解决途径和实现效果，让学生在上课过程中有乐趣，也有压力。

表1 课程成绩评定组成及比例

3.2.2 可以克服项目缺乏层次性的问题。实践中由于重视验证性实验，让基础较好的同学英雄无用武之地；缺乏让学生可以主动探索的中等难度的实验实践项目，而最后实训课堂给出的实践类题目相应较难，让基础一般的同学打了退堂鼓。本文根据具体的设计题目为例，讲解如何根据具体基础项目衍生出中等难度的项目，实现真实的分层教学，提升学习效果。如图3所示，一共分为六步走：

图3 基于问题的项目式PBL数字电路课程教学的总体设计

前三步主要是在理论教学中：根据目标设定，分组分工和查阅文献，很多基本问题就得到解决了。比如在具体数字电路课程里面，讲完基本理论和原理，根据教学大纲提出让同学们自行设计函数发生器电路。然后根据问题式PBL提出一些基本的本课程在数字电路上的一些运用。比如组合逻辑电路上的基本加法器、减法器、函数发生器、计数器等等。具体教学内容如表2所示。在同学们解决这些问题之前，需要线上或者线下讲解组合逻辑电路的设计方法，设计原理等，就将思维图里的基本知识串联起来了。

表2 数字电路课程相关知识点与基于问题项目式教学实验实践项目

后面三步主要是在解决项目的过程中用到：复杂的问题需要整合和汇总。同学们熟悉了这些理论以后，将电路知识逐渐深化，就是项目式PBL：考虑将这些基本电路中用到的元器件74LS160，74LS48进行组合，尝试做一个计数、译码和显示的电路。当然，在具体实践之前，需要软件仿真，不然，复杂电路在调试时不好找原因。当然，我们一般使用Multisim进行仿真。仿真之后的实践，也要调试。

最后，学有余力的同学，可以进行部分扩展。比如在555定时器部分，可以考虑：基础一般的同学先将555定时器的基本逻辑功能测试完毕以后，可以将定时器分解成三类电路：单稳态电路、双稳态电路和无稳态电路，基础功能电路就是三大类。然后将三大类电路的基本功能电路弄清楚，比如：单稳态电路的定时器、分频器和脉冲宽度调制电路等。具体来说，单稳态电路的脉冲发生器算是基本电路（所有同学都要掌握）。然后对于基础较好的同学，可以设计将555定时器扩展：设计一个调速电路，如图5所示。这里无论中等难度的电路设计，还是项目式电路的设计，实际步骤都是：先在Multisim软件环境中设计电路图，如图4（a）所示的方波发生器电路，后根据仿真，实验波形图如图4（b）所示。

图4 方波发生器仿真电路图和实验波形图

图5 风扇周波调速电路

在实验室搭建同样的电路，可以实现仿真波形一样的效果。最后就可以获得项目所需的效果，如图5所示。常见的555定时器设计挺多，这里不再赘述。如图5所示，控制NE555的3脚输出电平来调整风扇的转动和停转。通过调节RW占空比或者C2来调节控制周期。

3.2.3 可以方便调试和功能扩展。疫情背景下的实践类课题不得已让同学们进行了线上仿真。其实可以在具体实践类的课程时，线上项目，让同学们自己将项目改变，进行项目衍生，也是线上教学的优势。软件调试很方便进行功能扩展，比起实际电路的调试要方便快捷。最后，当然最好留一点学时，等线下恢复教学以后，让同学们回实验室动手实操。不然，仿真做得再好，也是不解决实际问题的。项目调试就没有得到锻炼，最后的毕业设计就会有压力。

3.2.4 可以克服评价单一的问题。前面在修改课程大纲的时候就要考虑到，平时的教学说是理论和实践的组合：两手都要硬，两手都要抓，最后就是一张闭卷考试决定了学生的分数。这对于认真做实验的同学未免有些不公平，会打消他们的积极性。对于专业竞赛也不利，会影响学生的专业学习的积极性。所以，建议在学科评分中，适当处理最后考试成绩的比例，建议如表1进行调整。

5 总结

基于电子类课程的教学，在理论教学上采用基于问题的PBL学习，可以帮助学生理清知识脉络，理清学习重点，对于线上教学的同学，可以有目的地去学习，提升学习兴趣。而在具体实践类的学习上，采用基于项目的PBL学习，可以衍生出超出学生目前基础的中等难度的实验和实践，最后，有部分在电子和机器人社团的基础好的同学，可以自我驱动，自学相关编程的单片机控制，嵌入式控制，对于学生的职业生涯，也是较好的导入。