論述基于PBL教學模式的數字邏輯課程教學研究
論文關鍵詞：數字邏輯 PBL教學 教學研究
論文摘 要：針對目前“數字邏輯”課程教學中存在的問題，在分析“數字邏輯”課程的特點、教學現狀和PBL教學模式內涵的基礎上，文章提出將PBL教學方法應用于“數字邏輯”教學過程中的觀點，并提出“2+2”教學方案。教學實踐表明，將PBL教學模式應用于數字邏輯課程中，提高了學生學習的積極性和主動性，使他們進一步加深了對數字邏輯的原理、知識、概念的理解，為后續課程的學習奠定了堅實的基礎。
“數字邏輯”課程是理工類專業的技術基礎課，從機的層次結構上講，“數字邏輯”是深入了解計算機“內核”的一門最關鍵的基礎課程，同時也是一門實踐性很強的課程[1]。其任務是使學生掌握數字邏輯與系統的工作原理和分析方法，能對主要的邏輯部件進行分析和設計，學會使用標準的集成電路和高密度可編程邏輯器件，掌握數字系統的基本設計方法，為進一步學習各種超大規模數字集成電路的系統設計打下基礎。
PBL全稱為Problem—Based Learning，被翻譯成“基于問題學習”或“問題式學習”。其基本思路是以問題為基礎來展開學習和教學過程[2]。PBL教學法是以問題為基礎，以學生為主體，以小組討論形式，在老師的參與和指導下，圍繞某一具體問題開展研究和學習的過程，培養學生獨立思考能力[3]。如今PBL教學已經成為美國中最重要和最有影響力的教學方法。
1 研究背景
1.1 數字邏輯課程的內容及其教學中存在的問題
數字邏輯課程的主要內容包括數字邏輯基礎和數字電路兩個部分，在學習過程中學生應把握好這兩條貫穿整個課程的主線。數字邏輯基礎是研究數字電
路的數學基礎，教師在教學中應使學生明確數字電路中邏輯變量的概念，掌握邏輯代數(布爾代數)的基本運算公式、定理，能夠熟練對邏輯函數進行化簡。數字電路是解決邏輯問題的硬件電路，包括組合邏輯電路和時序邏輯電路兩種基本形式。對于每一種電路形式，教師應指導學生從基本單元電路入手，熟悉其常用中規模集成電路的原理及使用方法，掌握數字電路(組合和時序電路)的分析和設計方法，并了解數字系統的設計方法。
我們根據教學內容，數字邏輯課程具有以下幾個特點：
1) 數字邏輯課程是一門既抽象又具體的課程。在邏輯問題的提取和描述方面是抽象的，而在邏輯問題的實現上是具體的。因此，學習中既要務虛，又要務實。
2) 理論知識與實際應用緊密結合。該課程各部分知識與實際應用直接相關，學習中必須將理論知識與實際問題聯系起來，真正培養解決實際問題的能力。
3) 邏輯設計方法靈活。許多問題的處理沒有固定的方法和步驟，很大程度上取決于操作者的邏輯思維推理能力、知識廣度和深度、以及解決實際問題的能力。換而言之，邏輯電路的分析與設計具有較大的彈性和可塑性。
筆者發現在實際教學過程中存在以下一些問題。
1) 在教學方式上，很多教師仍然在以“滿堂灌”的教學方式為主，整堂課以教師為中心，教師將書本上現成的內容、公式、定理、結論講授給學生，這使學生不能主動地去思考和探索，只能機械地記憶若干公式定理結論，長期下去會使學生失去學習興趣。
2) 在實驗實踐環節上，一些教師側重理論知識的講授，忽視實驗實踐環節，致使學生在面對具體應用問題時手忙腳亂，不知道如何運用所學的知識去解決問題。在實驗方案的選擇上，一些教師以傳統實驗為主，擴展性不足，使學生無法與實際工程項目接軌，不能很好地解決實際問題。
1.2 PBL教學的內涵
在傳統教學中，我們習慣于把知識的獲得和應用看成是教學中兩個獨立的階段。實際上，知識的應用并不是知識的套用，在應用知識解決有關問題的過程中，學習者常常需要針對當前的具體問題進行具體分析，在原有知識的基礎上建構出解決當前問題的方案。因此，應用知識解決問題的過程同樣是一個建構過程，在解決問題的過程中，學習者需要對問題背后所隱含的基本關系、基本做思考、分析、考察，從而建構起相應的知識。
以問題為導向的教學方法(PBL)是基于現實世界的以學生為中心的教育方式，與傳統的以學科為基礎的教學法有很大不同，PBL 強調以學生的主動學習為主，而不是傳統教學中的以教師講授為主；PBL 將學習與更大的任務或問題掛鉤，使學習者投入于問題中；它設計真實性任務，強調把學習設置到復雜的、有意義的問題情景中，通過學習者的自主探究和合作來解決問題，從而學習隱含在問題背后的知識，形成解決問題的技能和自主學習的能力，真正提高學習者分析問題、解決問題的能力。
當今的建構主義者越來越重視問題在學習中的作用，以問題為中心，以問題為基礎，讓學生通過解決問題來學習，通過高水平的思維來學習，這是當今教學改革的重要思路。
2 PBL教學模式在數字邏輯課程中的應用
2.1 教材選擇
針對PBL教學法，根據計算機工程專業的特點，筆者選擇由歐陽星明主編、華中科技大學出版社出版的《數字邏輯》(第四版)作為基礎教材，由歐陽星明主編、人民郵電出版社出版的《數字電路邏輯設計》作為教材。選擇教材的目的是理論和實踐相結合，每本教材各有其側重點。
2.2 PBL教學法的教學設計
在“基于問題學習”模式的課堂中，教師是指導者，學生是活動的主體，它要求學生要會主動地去尋找學習中的問題，然后帶著問題，在自己能力所及的范圍內概括和應用知識，運用各種已有的知識和科學的方法去分析問題和解決問題。其教學目標立足于培養學生靈活的知識基礎，高層次思維能力、自主學習能力以及合作學習能力。基于問題學習體現在課堂上，最突出的特點就是促使學生積極參與到學習中去，成為積極主動的學習者，從而去努力學習新的知識和技能，并能逐漸把所學知識整合，最終達到用知識來解決問題的目的。 作者在多年教學經驗基礎上，針對PBL教學模式，提出“2+2”教學方案，包括4個教學環節：提出問題→解決問題→方案討論→評價。
在上述4個環節中，教師主要參與提出問題環節和總結評價環節，學生主要參與解決問題環節和方案討論環節。下面具體說明各個環節的設置。
1) 提出問題。
提出問題環節是教學方案中的第一個環節，也是教師參與的第一個環節。在這個環節中教師應該根據所講課程內容的不同設計出不同的問題，好的問題是整個學習過程中的關鍵。一個好的問題能夠充分調動學生自主學習能力以及合作學習能力，使學生參與到學習過程中，調動學生學習熱情。
筆者講到組合邏輯電路設計時，提出的問題是設計一個全加器，用硬件描述語言VHDL進行描述并在試驗箱上進行實現，同時還給出一個已經設計好的例程，共學生參考學習；在講到時序邏輯電路設計時，提出的問題是設計一個汽車尾燈控制器，并對選用的邏輯門器件進行了要求。
這個環節的實施能夠提高學生的學習積極性，使學生產生學習需求，培養了學生的問題意識。
2) 解決問題。
解決問題環節是以學生為主體的環節，是學生對老師提出的問題進行解決。在這個環節中，老師首先對學生進行分組，根據學生學習情況，以5～7個人為一組。學生接受任務后學習興趣提高，小組成員進行分工，采取各種方法來完成任務。每個小組共同學習，學習好的同學帶動大家一起學習，互相幫助，學生變被動為主動，主動地思考和探索老師所提出的問題，在解決問題的過程中進行學習。在實際解決問題過程中，學生將面臨一些困難，如邏輯器件的選擇上、語言的描述上、具體問題的實現上，等等。
通過這一環節，教師也感受到同學們的想象力、創造力和動手能力等都是非常強的。
3) 方案討論。
在方案討論這個環節中，學生根據學習到的知識對自己所設計的方案進行討論，積極發言，提出自己的見解，說明自己的理由。教師根據學生們的發言，指出其合理的地方，對其不足的地方進行指正，引導學生解決問題。如在全加器的設計問題中，有的小組采用的是多種邏輯門電路進行設計，有的小組基于問題考慮，只采用與非門電路來進行設計，每個小組都詳細闡明自己的觀點，對自己的設計方案進行論證。
在這個環節，老師應強調放開思路，開拓創新，
鼓勵學生進行多途徑思考，全方位構思。這樣既加強了學生們學習自覺性、開創性，又培養學生更多地進行綜合思考，得到更多的鍛煉，提高分析和解決復雜問題的能力。
4) 總結評價。
小組必須在規定時間內完成設計開發任務。各個小組分別展示各自成果，其他小組學生提出問題進行互動并相互評價，老師給出點評并比較各自設計的優缺點，最后老師進行總結評價。這個環節中，教師作為主要參與者，一方面要對知識進行系統性的總結歸納，使學生對知識的掌握具有條理性，另一方面還要對學生進行啟發式擴展，使學生的知識面更廣，同時對一些難點重點再次進行強調，增加學生對知識的理解。
3 結語
數字邏輯是一門理論聯系實踐比較強的課程，在教學中采用PBL教學模式，不僅可以提高學生掌握知識的能力和培養學生的創造性思維能力，還能提高學生的交流和合作能力。PBL教學可以使得數字邏輯課程目標更好的實現，能夠引導學生自主學習，在實際的教學中，取得了良好的教學效果。
參考：
[1] 季偉東,張軍. 數字邏輯課程的探究性教學研究與實踐[J]. 機,2010(10):76-78.
[2] 付森. PBL教學法在數據庫原理教學中的應用[J]. 計算機教育,2010(10):91-93.
[3] 賴維瑋. 環境下PBL教學模式研究與實踐[J]. 教育信息化,2009(8):72-74.
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