基于双PBL模式的数字电子技术实验设计案例——简易洗衣机控制电路

梁丽勤，张宝健，王 岩

(东北大学秦皇岛分校 a.实验教育中心；b.控制工程学院;c.计算中心，河北 秦皇岛 066004)

数字电子技术实验是自动化类、计算机类和电子信息类专业重要的专业基础实验课程[1-3]，与数字电子技术理论课共同为微机原理与接口技术、单片机原理等专业课程的重要理论基础. 数字电子技术实验是培养学生实践能力和创新能力的重要课程，已经有翻转课堂[4]、微课[5]、基于问题的学习[6-7]等教学方式，尤其是基于问题的学习在很大程度上激发了学生学习的积极性和主动性，提高了实验教学效果. 对于数字电子技术实践性较强的课程，学生所做的各个实验相对独立，缺少系统性、整体性，导致各个实验知识点间连贯性不足，理论与实践联系不紧密[8-9]，而在完成数字电子技术课程知识的系统梳理和工程观的构建中,基于项目的实验作用明显. 因此，在基于问题的学习基础上融合基于项目的学习[10]，更有利于激发学生的学习兴趣，提高学生的科学素养和系统地分析问题、解决问题的能力. 本文以“简易洗衣机控制电路”为例，阐述了基于双PBL模式的数字电子技术实验的教学改革与探索经验.

1 双PBL模式

双PBL模式是基于项目的学习和基于问题的学习2种教学模式的融合[10]，其核心是基于项目的学习，以基于问题的学习为辅助，是从项目设计、实验项目分解、问题设计、教学过程和方法等多个方面将2个PBL模式有机结合的实验教学模式. 通过基于问题的学习模式提高学生学习的主动性、创新能力和团队意识[11-12],通过基于项目的学习模式[13]将实验内容之间建立联系，学生实验均以项目完成为大方向，每节实验课都是大的设计项目中的1个子项目，完成所有的实验课后，构建整个设计题目，最终形成数字电子技术实践项目的全部内容.

基于双PBL模式的数字电子实验教学方法改变了传统的以讲授和验证性实验为主的实验教学方式，使实验内容与实际生活密切联系. 在基于问题的学习模式引导下，学生完成必要的实验内容，多次实验的协同工作使学生能够完成较大的综合性实践项目. 此外，基于双PBL模式的教学不仅激发了学生的学习兴趣，提高了学生分析问题、解决问题的能力，使学生学以致用；同时还提高了学生申报和参加各类竞赛项目的积极性，进而不断提高学生的创新能力.

2 基于双PBL模式的数字电子技术实验教学模式设计

基于双PBL的教学模式不仅要以基于问题的学习为教学模式，还要设定综合目标，设计完成1个综合性的实践项目. 本文以“简易洗衣机控制电路”为例，完成了基于双PBL模式的数字电子技术实验方案设计.

2.1 双PBL模式总体教学设计

在基于双PBL模式的数字电子实验教学设计中，基于项目的学习是核心，基于问题的学习是辅助. 整个教学设计中纵向层面以项目为主线，完成项目设计、实验项目分解；横向层面是问题设计、教学过程和方法的开展. 构建的双PBL教学模式如图1所示.

2.2 案例介绍

简易洗衣机控制电路作为数字电子技术课程设计的题目之一，相对难度较高，涉及数字电子技术课程章节内容较全面，一般要求学生在1周内完成. 实验目的为：

1)巩固和应用课程中所学的基本理论和方法，初步掌握小型数字系统设计的基本方法.

2)灵活应用标准集成电路器件,实现规定的数字系统. 教学中注重培养学生独立思考、独立资料搜集、独立设计规定功能的数字系统的能力.

3)培养学生独立进行实验的能力(包括电路布局、安装、调试和排除故障).

2.2.1 基于项目的学习

简易洗衣机控制电路实验项目设计的要求：

1)设定洗衣机的工作时间在1～99 min内，并数码显示.

2)在1 min内，1～20 s模拟电机正转，正转指示灯亮，反转指示灯不亮，4个发光二极管组成循环指示灯顺时针方向转动；21～30 s模拟电机停止，正反转指示灯均不亮，循环指示灯停止转动；31～50 s模拟电机反转，正转指示灯不亮，反转指示灯亮，4个发光二极管组成循环指示灯逆时针方向转动；51～60 s模拟电机停止，正反转指示灯均不亮，循环指示灯停止转动.

3)倒计时到0时，系统停止工作，数码管显示0或不显示，所有模拟电机正反转指示灯熄灭.

因此，按照理论知识的讲授顺序，分解为5个子项目，每个实验可以独立成为1个子项目，又可以略做修改成为整体项目的组成部分，项目分解如图1所示.

1)实验1：组合逻辑电路子项目. 要求利用3线8线译码器(74LS138)及与非门(74LS00)设计完成模拟电机正反转指示灯电路. 现象为：电路的输入为0和1时，电机正转指示灯亮；输入2和5时，电机停止，正反转指示灯均不亮；输入3和4时，电机反转指示灯亮.

2)实验2：加法计数器子项目. 要求利用十进制加法计数器(74LS160)和4位二进制加法计数器(74LS161)设计完成六十进制计数器电路(分钟脉冲发生器). 可以采用串联方式或并联方式完成设计. 其中，串联方式中74LS160是六十进制计数器的低位，实现十进制加法计数；74LS161是六十进制计数器的高位，实现六进制加法计数.

3)实验3：减法计数器子项目. 要求利用拨码开关、十进制加减计数器(74LS190)、显示译码器(74LS47)和共阳极数码管完成一百进制减法计数器及数字显示电路，可以采用串联方式或并联方式完成设计.

4)实验4：移位寄存器和时基电路子项目. 要求利用555时基电路(NE555)和移位寄存器(74LS194)设计完成周期为1 s的脉冲发生器和循环指示灯电路的设计. 555时基电路每秒产生1个时钟信号并提供给移位寄存器，并按照S0和S1的状态，完成同步置数，指示灯的左移、右移和停止显示.

5)实验5：系统调试子项目. 要求通过电路设计，将前4次实验的电路模块组合并协同工作，实现简易洗衣机控制电路的整体项目调试. 主要内容包含：实验4的秒脉冲信号与实验2的六十进制计数器的电路连接，实验2的六十进制计数器与实验1的3线8线译码器的电路连接，实验1的分钟脉冲发生器与实验3的减法计数器的电路连接，实验2的3线8线译码器与实验4的移位寄存器的电路连接，实验5的整个系统停止工作电路的设计.

2.2.2 基于问题的学习

基于问题的学习区别于纵向维度的基于项目的学习，是根据每个子项目的具体内容横向展开的问题式学习方式. 基于问题的学习不仅考虑问题与子项目内容的结合，还要将问题分层次，由浅入深，由易到难. 例如，在加法计数器子项目实验的问题设计中，基础性问题有：74LS161和74LS160加法计数器的区别是什么？工作原理分别是什么？置数和清零功能的区别是什么？拔高的问题有：在六十进制的计数器中如何设计低位和高位？如何完成不同机制的改变？可以设计出几种方案？哪种方案更优？

3 双PBL教学模式实施过程与效果

基于双PBL模式的实验教学首先要基于项目进行实验任务分解，再将每个实验任务以问题的学习模式开展，实现双PBL有机融合的教学模式. 实施过程设计按照时间顺序分为课前、课中和课后三部分.

3.1 课前设计

3.1.1 教师的课前设计

教师在课前对实验的设计包括：实验内容设计和课程评价设计.

实验内容设计包括项目的实验任务分解，每个实验的内容设计，以及基于每个实验内容提出相应的关键问题. “简易洗衣机控制电路”按照内容和难度分为5个子项目，对应5次实验，每个实验既相对独立又可统一，难度适中，所提问题具有启发性和引导性. 例如，在六十进制加法计数器实验中提出的问题有：74LS160和74LS161的工作原理？两者之间的区别？在六十进制中如何设计低位和高位？低位和高位计数器如何完成进制的转换？教师在实验前1周需录制好预习视频，通过网络平台发布给学生，并要求学生按照5～6人1组组成学习小组，设计实验方案和准备课上方案介绍等.

课程评价的设计不仅要考虑课前预习和实验报告电路及实验结果，而且要强调双PBL模式中学生的参与度. 因此，数字电子技术实验课的成绩标准设计为5次实验成绩的平均值，每次实验成绩满分100分，包含实验预习、实验电路设计、实验结果、设计方案总结和双PBL小组表现5部分，每部分20分.

3.1.2 学生的课前设计

学生在课前按照预习视频学习与实验相关的理论原理，组成学习小组，安排工作分工. 实验开始前完成问题的思考和实验电路的设计，并将设计方案通过网络反馈给教师.

3.2 课中实践

教师是课堂主导，学生是课堂主体. 教师在实验课中以问题的方式引导学生介绍本组的实验方案，同时启发学生思考与讨论. 例如，在减法计数器子项目实验中，可以与学生探讨的问题有：减法计数器74LS190能否工作在加法计数状态？高位和低位的减法计数器是并行方式还是串行方式？当计数到0时，减法计数器会停止工作吗？各个小组的设计方案中哪个方案最优？如何改进本组的设计方案？以上问题不但加深了学生对知识点的理解，而且可以引导学生利用芯片的功能进一步设计电路和改进电路，理论和实践结合的同时加强了工程观.

3.3 课后总结分析

实验课后，学生在实验报告中附加设计方案总结及改进思路. 同时教师及时完成教学反思，包括总结实验内容的难易程度、课堂问题的教学效果和问题的完善与补充等.

3.4 实施效果

基于双PBL模式的数字电子技术实验在自动化专业和光电信息与工程专业完成了1个周期的试点，取得非常明显的教学效果. 在学期末开展的数字电子课程设计中，双PBL教学组学生的资料搜集能力、独立设计能力以及电路布局、安装、调试和排除故障的能力明显优于传统教学组学生. 根据数字电子课程设计成绩统计，双PBL教学组成绩为优秀的学生比例明显高于传统教学组，详见图2.

4 结束语

基于双PBL模式的教学设计，融合了基于项目的学习和基于问题的学习两者的优势. 以“简易洗衣机控制电路”为例，设计了基于双PBL模式的数字电子技术实验教学方案. 学生通过5个相互关联的实验项目，最终完成了较大的综合性项目设计. 通过问题式的学习，激发了学生的学习热情；通过项目式的学习，引导学生设计和调试较大的实际工程问题，提高了学生的实践能力，激发了学生申报和参加各类竞赛项目的积极性，有效提高了教学效果和人才培养质量.