學(xué)分制下“數(shù)字電子技術(shù)”項目式教學(xué)的研究

宣傳忠，郝 敏，吳利斌，曲 輝，王利娟，葛 巖

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

學(xué)分制下“數(shù)字電子技術(shù)”項目式教學(xué)的研究

宣傳忠，郝 敏，吳利斌，曲 輝，王利娟，葛 巖

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

本文分析了在學(xué)分制下“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)中存在的困難和不足，提出了項目式教學(xué)的方法，并對項目式教學(xué)的實例設(shè)計進行了深入地研究，學(xué)生根據(jù)項目的設(shè)計任務(wù)，選擇總體方案，設(shè)計單元電路，選擇器件，計算參數(shù)，畫電路圖，進行仿真試驗和性能測試，在實際設(shè)計過程中學(xué)生往往反復(fù)進行以上各步驟，實踐證明，該方法提高了學(xué)生的理論知識水平和實踐動手能力，并取得了非常好的教學(xué)效果。

學(xué)分制；“數(shù)字電子技術(shù)”；項目式；教學(xué)研究

一、引言

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)積極推動本科教學(xué)，提出本科生的完全學(xué)分制教育，將“數(shù)字電子技術(shù)”課程的學(xué)時壓縮至54學(xué)時，留出更多的時間讓學(xué)生來主動學(xué)習(xí)和增強動手能力。筆者試圖在“數(shù)字電子技術(shù)”課程的基礎(chǔ)教學(xué)中增加一個項目式教學(xué)環(huán)節(jié)，它使學(xué)生自己通過設(shè)計和搭建一個實用電子產(chǎn)品雛形，鞏固和加深在“數(shù)字電子技術(shù)”課程中的理論基礎(chǔ)和實驗中的基本技能，訓(xùn)練電子產(chǎn)品制作時的動手能力。這需要研究出適合學(xué)生動手實踐的項目，學(xué)生根據(jù)項目要求設(shè)計出符合要求的電路，從而掌握數(shù)字電路的一般設(shè)計方法和步驟，訓(xùn)練并提高學(xué)生在文獻檢索、資料利用、方案比較和元器件選擇等方面的綜合能力，同時為畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)以后從事電子技術(shù)方面的科研和開發(fā)打下一定的基礎(chǔ)[1]。

二、項目式教學(xué)的目的

通過數(shù)字電子技術(shù)項目式教學(xué)，使學(xué)生能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“數(shù)字電子技術(shù)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本方法，能合理、靈活地應(yīng)用各種標準集成電路（SSI、MSI、LSI等）器件實現(xiàn)規(guī)定的數(shù)字系統(tǒng)[2]。培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、獨立準備資料、獨立設(shè)計規(guī)定功能的數(shù)字系統(tǒng)的能力，培養(yǎng)學(xué)生獨立進行實驗，包括電路布局、安裝、調(diào)試和排除故障的能力，培養(yǎng)學(xué)生書寫綜合設(shè)計實驗報告的能力[3]。

三、項目式教學(xué)的步驟

學(xué)生根據(jù)設(shè)計教師步驟的項目任務(wù)，從選擇設(shè)計方案開始，進行電路設(shè)計[4]；選擇合適的器件，畫出設(shè)計電路圖；通過安裝、調(diào)試，直至實現(xiàn)任務(wù)要求的全部功能，對電路要求布局合理，走線清晰，工作可靠，經(jīng)驗收合格后，寫出完整的課程設(shè)計報告[5]。

1.總體方案選擇。設(shè)計電路的第一步就是選擇總體方案，就是根據(jù)提出的設(shè)計任務(wù)要求及性能指標，用具有一定功能的若干單元電路組成一個整體，來實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)提出的各項要求和技術(shù)指標[6]。設(shè)計過程中，往往有多種方案可以選擇，應(yīng)針對任務(wù)要求，查閱資料，權(quán)衡各方案的優(yōu)缺點，從中選優(yōu)。

2.單元電路的設(shè)計。（1）設(shè)計單元電路的一般方法和步驟：①根據(jù)設(shè)計要求和選定的總體方案原理圖，確定對各單元電路的設(shè)計要求，必要時應(yīng)詳細擬定主要單元電路的性能指標。②擬定出各單元電路的要求后，對它們進行設(shè)計。③單元電路設(shè)計應(yīng)采用符合的電平標準。（2）元器件的選擇。針對數(shù)字電路的課程設(shè)計，在搭建單元電路時，對于特定功能單元選擇主要集成塊的余地較小。比如時鐘電路選555，轉(zhuǎn)換電路選0809，譯碼及顯示驅(qū)動電路也都相對固定。但由于電路參數(shù)要求不同，還需要通過選擇參數(shù)來確定集成塊型號。一個電路設(shè)計，單用數(shù)字電路課程內(nèi)容是不夠的，往往同時摻有線性電路元件和集成塊，因此還需熟悉相應(yīng)內(nèi)容，比如運算放大器的種類和基本用法、集成比較器和集成穩(wěn)壓電路的特性和用法。總之，構(gòu)建單元電路時，選擇器件的電平標準和電流特性很重要。普通的門電路、時序邏輯電路、組合邏輯電路、脈沖產(chǎn)生電路、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、采樣和存儲電路等，參數(shù)選擇恰當可以發(fā)揮其性能并節(jié)約設(shè)計成本。

單元電路設(shè)計過程中，阻容元件的選擇也很關(guān)鍵。它們的種類繁多，性能各異。優(yōu)選的電阻和電容輔助于數(shù)字電路的設(shè)計可以使其功能多樣化、完整化。

3.單元電路調(diào)整與連調(diào)。數(shù)字電路設(shè)計以邏輯關(guān)系為主體，因此各單元電路的輸入輸出邏輯關(guān)系與它們之間的正確傳遞決定了設(shè)計內(nèi)容的成敗。具體步驟要求每一個單元電路都須經(jīng)過調(diào)整，有條件的情況下可應(yīng)用邏輯分析儀進行測試，確保單元正確。各單元之間的匹配連接是設(shè)計的最后步驟，主要包含兩方面，分別是電平匹配和驅(qū)動電流匹配。它也是整個設(shè)計成功的關(guān)鍵一步。

4.衡量設(shè)計的標準。工作穩(wěn)定可靠；能達到預(yù)定的性能指標，并留有適當?shù)挠嗔浚浑娐泛唵?，成本低，功耗低；器件?shù)目少，集成體積小，便于生產(chǎn)和維護。

5.課程設(shè)計報告要求。課程設(shè)計報告應(yīng)包括以下內(nèi)容：對設(shè)計課題進行簡要闡述；設(shè)計任務(wù)及其具體要求；總體設(shè)計方案方框圖及各部分電路設(shè)計（含各部分電路功能、輸入信號、輸出信號、電路設(shè)計原理圖及其功能闡述、所選用的集成電路器件等）；整機電路圖（電路圖應(yīng)用標準邏輯符號繪制，電路圖中應(yīng)標明接線引出端名稱、元件編號等）；器件清單；調(diào)試結(jié)果記錄；課程設(shè)計報告應(yīng)內(nèi)容完整、字跡工整、圖表整齊、數(shù)據(jù)翔實。

四、項目式教學(xué)實例

1.實例簡述。為了確保十字路口的車輛順利、暢通地通過，往往都采用自動控制的交通信號燈來進行指揮。其中紅燈（R）亮表示該條道路禁止通行；黃燈（Y）亮表示停車；綠燈（G）亮表示允許通行。交通燈控制器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 交通燈控制器系統(tǒng)框圖

2.設(shè)計任務(wù)和要求。設(shè)計一個十字路口交通信號燈控制器，其要求如下。

（1）滿足如圖2的順序工作流程。圖中設(shè)南北方向的紅、黃、綠燈分別為NSR、NSY、NSG，東西方向的紅、黃、綠燈分別為EWR、EWY、EWG。它們的工作方式，有些必須是并行進行的，即南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮。

（2）應(yīng)滿足兩個方向的工作時序，即東西方向亮紅燈時間應(yīng)等于南北方向亮黃、綠燈時間之和，南北方向亮紅燈時間應(yīng)等于東西方向亮黃、綠燈時間之和。時序工作流程圖見圖3所示，假設(shè)每個單位時間為3秒，則南北、東西方向綠、黃、紅燈亮的時間分別為15秒、3秒、18秒，一次循環(huán)為36秒。其中紅燈亮的時間為綠、黃燈亮的時間之和，黃燈是間歇閃耀。

圖2 交通燈順序工作流程圖

圖3 交通燈時序工作流程圖

（3）十字路口要有數(shù)字顯示，作為時間提示，以便人們更直觀地把握時間。具體為：當某方向綠燈亮?xí)r，置顯示器為某值，然后以每秒減1計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為“0”，十字路口紅、綠燈交換，一次工作循環(huán)結(jié)束，而進入下一步某方向的工作循環(huán)。

（4）可以手動調(diào)整和自動控制，夜間為黃燈閃耀。

（5）在完成上述任務(wù)后，可以對電路進行以下幾方面的電路改進或擴展。①在某一方向（如南北）為十字路口主干道，另一方向（如東西）為次干道，主干道由于車輛、行人多，而次干道的車輛、行人少，所以主干道綠燈亮的時間可以選定為次干道綠燈亮的時間的2倍或3倍。②用LED發(fā)光二極管模擬汽車行駛電路。當某一方向綠燈亮?xí)r，這一方向的發(fā)光二極管接通，并一個一個向前移動，表示汽車在行駛；當遇到黃燈亮?xí)r，移位發(fā)光二極管就停止，而過了十字路口的移位發(fā)光二極管繼續(xù)向前移動；紅燈亮?xí)r，則另一方向轉(zhuǎn)為綠燈亮，那么，這一方向的LED發(fā)光二極管就開始移位（表示這一方向的車輛行駛）。

3.可選用器材。①通用實驗底板；②直流穩(wěn)壓電源；③交通信號燈及汽車模擬裝置；④集成電路：74LS74、74LS164、74LS168、74LS248及門電路；⑤顯示：LC5011-11，發(fā)光二極管；⑥電阻；⑦開關(guān)。

4.設(shè)計方案提示。根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求，參考交通燈控制器的邏輯電路，設(shè)計方案可以從以下幾部分進行考慮。

（1）秒脈沖和分頻器。因十字路口每個方向綠、黃、紅燈所亮?xí)r間比例分別為5∶1∶6，所以，若選4秒（也可以3秒）為一個單位時間，則計數(shù)器每計4秒輸出一個脈沖，這一電路就很容易實現(xiàn)。邏輯電路參考前面有關(guān)課題。

（2）交通燈控制器。計數(shù)器每次工作循環(huán)周期為12，所以可以選用12進制計數(shù)器。計數(shù)器可以用單觸發(fā)器組成，也可以用中規(guī)模集成計數(shù)器。這里我們選用中規(guī)模74LS164八位移位寄存器組成扭環(huán)形12進制計數(shù)器。扭環(huán)形計數(shù)器的狀態(tài)表如表1所示。

表1 狀態(tài)表

根據(jù)狀態(tài)表，我們不難列出東西方向和南北方向綠、黃、紅燈的邏輯表達式：

東西方向：

由于黃燈要求閃耀幾次，所以用時標1s和EWY或NSY黃燈信號相“與”即可。

（3）顯示控制部分。顯示控制部分實際上是一個定時控制電路。當綠燈亮?xí)r，使減法計數(shù)器開始工作（用對方的紅燈信號控制），每來一個秒脈沖，使計數(shù)器減1，直到計數(shù)器為“0”而停止。譯碼顯示可用74LS248 BCD碼七段譯碼器，顯示器用LC5011-11共陰極LED顯示器，計數(shù)器材用可預(yù)置加、減法計數(shù)器，如74LS168、74LS193等。

（4）手動/自動控制、夜間控制。這可以用一個選擇開關(guān)進行。置開關(guān)在手動位置，輸入單次脈沖，可使交通燈在某一位置上，開關(guān)在自動位置時，則交通信號燈按自動循環(huán)工作方式運行。夜間時，將夜間開關(guān)接通，黃燈閃亮。

（5）汽車模擬運行控制。用移位寄存器組成汽車模擬控制系統(tǒng)，即當某一方向綠燈亮?xí)r，則綠燈亮“G”信號使該路方向的移位通路打開，而當黃、紅燈亮?xí)r，則使該方向的移位停止。如圖4所示，為南北方向汽車模擬控制電路。

圖4 汽車模擬控制電路圖

五、結(jié)語

項目教學(xué)法主張先練后講、先學(xué)后教，強調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，主動參與，從嘗試入手，從練習(xí)開始，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)造性、積極性等，學(xué)生唱“主角”，而教師轉(zhuǎn)為“配角”，實現(xiàn)了教師角色的換位，有利于加強對學(xué)生自學(xué)能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。筆者就多個方面對項目教學(xué)法進行了嘗試性的研究與實踐，也取得了非常好的效果。

[1]馬英，陳朝輝.《數(shù)字電子技術(shù)》課程教學(xué)方法改革與實踐[J].科技信息，2009，（29）：227-228.

[2]謝劍斌，李沛秦，閆瑋，劉通，丁文霞.在“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010，（06）：5-6，9.

[3]陳柳，戴璐平.“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)改革研究與探索[J].中國電力教育，2013，（02）：96-97.

[4]張學(xué)成.數(shù)字電子技術(shù)實驗改革與創(chuàng)新[J].實驗室研究與探索，2011，（08）：285-288.

[5]李江昊，常丹華，張寶榮，黃震，郭璇，劉雪強.“卓越工程師計劃”試點班課堂教學(xué)改革與實踐——以數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)為例[J].教學(xué)研究，2012，（01）：46-49，64.

[6]鄭潔.“數(shù)字電子技術(shù)”課程實施研究性教學(xué)的探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，（06）：94-96.

G642.0

A

1674-9324（2014）45-0194-04

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目資助（JG-2012）

宣傳忠（1977-），男，講師，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)工程測試與控制。