問題解決法在“電路CAD”課程教學中的應用

謝 珺，續(xù)欣瑩

(太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024)

隨著計算機技術的快速發(fā)展，電路計算機輔助設計(電路CAD)技術有了長足進步，許多電路設計軟件應運而生。正是這些軟件的廣泛應用，實現(xiàn)了電路原理圖繪制標準化，原理圖轉換成電路板版圖自動化，另外這些軟件還可以對電路的功能進行仿真測試，其不僅能滿足日益精密的設計要求，而且還能將電路設計人員從繁重的工作中解脫出來。隨著“電路CAD”技術的廣泛應用，電子類企業(yè)對熟練掌握該技術人才的需求也在不斷增加，為了適應這種需求，“電路CAD”課程已成為高等院校信息工程、通信工程等專業(yè)學生學習的主要課程。

“電路CAD”課程是一門實踐性較強的課程，它是以應用EWB5.0、Protel99SE等軟件進行電路設計與仿真為主。其傳統(tǒng)的授課方法是圍繞軟件的操作，以講授軟件操作命令為主，與電路的設計聯(lián)系不緊密，無法達到良好的教學效果。為了真正達到“圍繞實踐、重在應用”的教學原則，筆者在“電路CAD”課程教學過程中使用了問題解決法，將瑣碎的內容按相關性整合，并設計成一組關聯(lián)的問題，圍繞這些問題組織和開展教學，引導學生集思廣益，自主找到解決問題的方法，從而調動了學生的主觀能動性，激發(fā)了他們的學習興趣，實踐表明使用問題解決法起到了良好的教學效果。

一、問題解決法的教學模式

問題解決法的教學模式是美國教育界20世紀80年代首先發(fā)展起來的一種教學模式，它以解決問題為中心，注重學生的獨立活動，著眼于其創(chuàng)造性思維、意志力和知識遷移能力的培養(yǎng)。問題解決法針對不同的情境提出問題，引導受教育者以“問題解決”者的身份，從初始狀態(tài)，經過一步一步地中間狀態(tài)，最后采用較為靈活的策略去解決[1-2]。

近幾年來，許多國家的教育系統(tǒng)已將問題解決法的成果與模式融會于日常教學中，制定了具體的目標與培養(yǎng)計劃。

問題解決法要求教師為學生創(chuàng)造具體環(huán)境，提出有待探索及求證的一系列問題，啟發(fā)學生獨立地多向思維，尋找在不同條件下的多種解決問題的途徑，探索可能出現(xiàn)的多種答案。因此，問題解決法是培養(yǎng)與發(fā)展學生創(chuàng)造性思維能力的重要教學方法與教育手段。問題解決法體現(xiàn)了新的教育理念，它對促進學生的全面發(fā)展具有重要意義，在培養(yǎng)創(chuàng)新精神方面具有獨特的價值[2]。

一般來說，問題解決法的流程是：(1)設計情境，提出問題；(2)分析問題，解決問題；(3)回顧，歸納及得出結論[3-4]。

二、問題解決法在“電路CAD”課程中的應用

問題解決法在“電路CAD”課程的課堂教學中以發(fā)揮學生的學習主動性展開教學。從教學內容上看，將整個課程分成以啟發(fā)學習階段(課堂上完成)、問題解決階段(課下和實驗室完成)兩個由淺入深的階段展開。在啟發(fā)學習階段中，用一個電路的PCB 版圖為實例，老師以提問的方式，逐步深入地引導學生使用軟件來設計電路，并給出設計方案，讓學生了解和認識EWB5.0、Protel99SE軟件進行電路原理圖和PCB 版圖的繪制方法與步驟，加深他們對軟件操作知識點的理解。在問題解決階段中，讓學生上機操作，親手繪制自己設計出來的電路的PCB 版圖，并對設計出來的電路進行仿真測試。

本文以搶答器電路設計為例，具體說明問題解決法在“電路CAD”課程教學中的實施步驟。

(一)設計情境，提出問題

該步驟要求教師向學生提出問題后，重點講解待解決問題的理論或實際背景，幫助學生了解其學習目的，進入良好的學習狀態(tài)。

情境：外語系要舉辦一個英語知識競賽，需要使用搶答器。搶答器的功能要求如下：(1)可同時供四名選手參加競賽；(2)由主持人宣布搶答開始和搶答復位。同學們能否為他們設計一個符合要求的搶答器呢？(給同學們20分鐘的時間討論)。

由于有了這樣的應用背景，學生們一下子就興奮起來了，由3-4人為一組開始討論解決問題的方案。鑒于學生在本課程之前已經系統(tǒng)地學習了模擬電子技術和數(shù)字電子技術課程，因此在該情境下，學生能將已掌握的相關知識融入本課程的學習中，這樣不僅能做到知識的前后銜接，提高學生的學習興趣，還能提高學生應用所學知識解決問題的能力。

(二)分析問題，解決問題

該步驟要求教師圍繞教學中提出的問題，逐步啟發(fā)學生、給出解決方案，并且盡可能讓學生使用“頭腦風暴”來給出多種解決方法，如下例。

教師：搶答器的主要功能有哪些呢？

學生：定時(倒計時)、搶答。

教師：對，那么怎樣實現(xiàn)倒計時功能呢？

學生：用減法計數(shù)器。

教師：哪些芯片有減法計數(shù)功能呢？

學生：74LS192、74LS161。

教師：怎樣實現(xiàn)搶答呢？我們怎樣知道是幾號選手搶答到了？

學生：可以給每位選手先編碼，通過譯碼器得知搶答成功的選手，并通過七段數(shù)碼管顯示該選手的編號。

教師：搶答開始后，如果有兩名選手幾乎是同時按下?lián)尨鹌?，怎樣才能知道是誰先按下?lián)尨鹌髂兀?/p>

學生：若有多名選手幾乎是同時按動搶答按鈕，優(yōu)先搶答的選手編號會輸入回路封鎖，禁止其他選手搶答。

教師：還有兩個關鍵問題，當主持人宣布“開始”時，如何實現(xiàn)報警器發(fā)聲，且搶答電路和定時電路進入正常搶答工作狀態(tài)？當參賽選手按動搶答鍵時，又怎么實現(xiàn)報警器響，且搶答電路和定時電路停止工作？

學生：這兩個問題可以通過設計時序控制電路來實現(xiàn)，時序控制電路可以用軟件中集成的脈沖信號發(fā)生器來產生，也可以用74LS121來產生。

到此為止，一個簡單搶答器的基本功能就實現(xiàn)了。為了激發(fā)學生們的創(chuàng)造性，教師可以做更深入的問題引導，例如：

教師：如果主持人宣布搶答開始后，沒有選手搶答，考慮這種情況的話，該怎樣設計搶答器呢？

學生：如果時間到沒人搶答的話，可以設置報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答。

上述問題的設置，有效激發(fā)了學生自主地進行電路設計的積極性。

(三)回顧，歸納及得出結論

該步驟要求教師根據(jù)學生提出的多種方案，總結利弊，理順解決問題的思維通道，強化學生的認識過程。

在上例中，計數(shù)器的設計有兩種方案：一種74LS192是同步十進制可逆計數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能；一種74LS161是4位二進制同步計數(shù)器。經過分析及研究，大家決定采用74LS192為倒計時定時電路的核心芯片。再如脈沖電路的設計，如采用74LS121計數(shù)器，這樣又給學生提供一次電路設計的機會，而如用軟件自帶的脈沖信號發(fā)生器，學生就會缺少一次設計脈沖電路的機會。

三、應用問題解決法的效果與思考

通過對教學方法的研究，依據(jù)授課內容，選擇問題解決法的教學模式，體現(xiàn)了啟發(fā)式教學思想的內涵。實踐證明，問題解決法對教師和學生有很大的幫助，特別為學生的創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)奠定了基礎，使學生的獨立解決問題的意識增強，依賴課堂、依賴教師的惰性大大減少，學生因此能主動、充分和有效地進行學習。該教學方法充分體現(xiàn)了以教師為主導、以學生為主體的教學思想。

四、結論

通過這幾年的教學效果可以看出，教師在“電路CAD”課程教學中，采用問題解決法的教學模式，優(yōu)化了課堂教學，提高了教學質量。有效地激發(fā)了學生的學習熱情，使學生將所學知識融會貫通，而且還鍛煉了他們的動手能力，同時這種教學方法也受到了學生的一致好評。

參考文獻：

[1] 倪 娟，李廣洲.問題解決教學操作模式與綜合實踐活動課程目標的達成[J].教育探索，2003，(12)：19-20.

[2] 趙志升，李 靜，羅德林.“問題解決”教學模式及其在計算機教學中的應用[J].教育與職業(yè)，2006，(32)：138-139.

[3] 汪 瑩，王冬梅，王海鵬.關于“問題解決”教學模式的探討[J].山西煤炭管理干部學院學報，2008，(1)：46-47.

[4] 張曉慧，喬成立.問題式教學法在綜合性和設計性實驗教學中的研究與實踐[J].教育探索，2008，(11)：81-82.