數(shù)字電路綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例驅(qū)動法教學(xué)探討

王紅航+劉凱+鄧春健+楊健君+陳李勝+路月月

摘 要：針對應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)和當(dāng)前學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，提出借助數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學(xué)科研平臺，以LED點(diǎn)陣顯示為例，闡述五步教學(xué)法——理論講解（聽）、案例教學(xué)（看）、強(qiáng)化訓(xùn)練（做）、歸納總結(jié)（思）和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用（查），旨在用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)改革。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；數(shù)字電路設(shè)計(jì)；教學(xué)平臺；案例驅(qū)動；應(yīng)用型人才培養(yǎng)

文章編號：1672-5913（2017）07-0140-04

中圖分類號：G642

0 引 言

數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用是高等院校電氣信息類學(xué)科中一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程，既有自身的理論體系，又有很強(qiáng)的實(shí)踐性，還是數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先導(dǎo)課程，在整個(gè)人才培養(yǎng)中起著承上啟下的作用。

案例驅(qū)動教學(xué)法將以傳授知識為主的傳統(tǒng)教學(xué)理念，轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q問題并完成任務(wù)為主的互動式教學(xué)理念；將再現(xiàn)式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄渴綄W(xué)習(xí)，使學(xué)生處于積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)，讓每一位學(xué)生都能根據(jù)自己對當(dāng)前問題的理解，運(yùn)用已有的知識和個(gè)人體驗(yàn)提出解決方案并最終解決問題。

1 實(shí)驗(yàn)平臺

數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學(xué)科研平臺如圖1所示。該平臺以FPGA（field programmable gates array，現(xiàn)場可編程門陣列）為核心，以綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)為導(dǎo)向，具有豐富的外設(shè)接口以及豐富的設(shè)計(jì)資源。借助該平臺，學(xué)生可以使用EDA（electronic design automatic）技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字電路設(shè)計(jì)，不僅能強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力[1]，而且能使設(shè)計(jì)風(fēng)格更靈活、設(shè)計(jì)效率更高。借助該平臺，可以進(jìn)行一系列數(shù)字電路綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，借助于案例驅(qū)動教學(xué)法，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力和實(shí)踐應(yīng)用能力。

2 “LED點(diǎn)陣顯示”案例驅(qū)動教學(xué)

“LED點(diǎn)陣顯示”案例驅(qū)動教學(xué)需根據(jù)任務(wù)驅(qū)動五步教學(xué)法實(shí)現(xiàn)，分別為理論講解（聽）、案例教學(xué)（看）、強(qiáng)化訓(xùn)練（做）、歸納總結(jié)（思）和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用（查）。

2.1 理論講解和案例教學(xué)

數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學(xué)科研平臺中8×8 LED點(diǎn)陣顯示電路原理圖如圖2所示。由圖2知，要想點(diǎn)亮LED燈，只要LED的陽極接高電平、陰極接低電平即可。假定要實(shí)現(xiàn)第1個(gè)LED燈亮，令DISP-CS7=0，DISP-CS0～DISP-CS6為1，則PNP管（Q9）導(dǎo)通，Q9發(fā)射極的3.3V電壓即加到第1列LED的陽極，令DISP-D0=0，DISP-D1～DISP-D7為1，則第1個(gè)LED燈亮。假定要實(shí)現(xiàn)第1列LED燈亮，令DISP-CS7=0，DISP-CS0～ DISP-CS6為1，令DISP-D0～ DISP-D7均為0，則第1列LED燈亮。

2.2 強(qiáng)化訓(xùn)練

根據(jù)理論講解和案例教學(xué)，學(xué)生能學(xué)會如何控制某一個(gè)或某一列LED燈亮，教師可以布置任務(wù)讓學(xué)生點(diǎn)亮任何一個(gè)或者任何一列（行）LED燈。通過實(shí)踐練習(xí)，學(xué)生能夠輕而易舉地點(diǎn)亮LED燈。這個(gè)簡單的點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭鷮W(xué)生建立設(shè)計(jì)電路的自信心，滿足學(xué)生設(shè)計(jì)電路的成就感，激發(fā)他們對設(shè)計(jì)復(fù)雜電路的渴望。

此時(shí)，教師可以適當(dāng)加大實(shí)驗(yàn)難度，如實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣按列（行）依次點(diǎn)亮。這時(shí)，學(xué)生會根據(jù)自己的想法控制LED點(diǎn)陣按列（行）點(diǎn)亮，教師的角色則應(yīng)該由教變?yōu)閷?dǎo)，參與學(xué)生的設(shè)計(jì)中并且在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)給予一定的引導(dǎo)。如果學(xué)生能夠想到可以令DISP-D0～DISP-D7為0，而將DISP-CS0～DISP-CS7輪流置為0，就可以實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣按列點(diǎn)亮；或者令DISP-CS0～DISP-CS7為0，而將DISP-D0～DISP-D7輪流置為0，則可以實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣按行依次點(diǎn)亮。此時(shí)，教學(xué)過程已經(jīng)從再現(xiàn)式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄渴綄W(xué)習(xí)。

一旦學(xué)生意識到這個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)，他們就會立即想到由計(jì)數(shù)器加上譯碼器實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣的依次點(diǎn)亮，因?yàn)樯鲜霭咐团荞R燈的設(shè)計(jì)非常相似。74154實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管和LED點(diǎn)陣的控制原理圖如圖3所示，其原理可以參考文獻(xiàn)[1]，學(xué)生可以用74154芯片（電路板上芯片）和計(jì)數(shù)器（由FPGA實(shí)現(xiàn)）實(shí)現(xiàn)案例設(shè)計(jì)。LED陣列按列點(diǎn)亮原理圖如圖4所示，其中的插圖即為某列LED燈點(diǎn)亮圖。在這個(gè)案例中，學(xué)生可能會對系統(tǒng)時(shí)鐘clk頻率（49.152 MHz）進(jìn)行不同的分頻，此時(shí)，教師應(yīng)該將任務(wù)具體化為肉眼能夠分辨出LED點(diǎn)陣是按列點(diǎn)亮即可。

此時(shí)，教師可以再次加大實(shí)驗(yàn)難度，如實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣按燈依次點(diǎn)亮。教師可以引導(dǎo)學(xué)生：①假定DISP-CS*為0，設(shè)置DISP-D0～DISP-D7輪流為0，可以實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣第*列LED燈依次點(diǎn)亮；②假定DISP-CS0～DISP-CS7輪流為0，且DISP-CS*為0的時(shí)間剛好可以實(shí)現(xiàn)第*列LED燈依次點(diǎn)亮完畢；③假定條件成立。一般情況下，學(xué)生基于前面的設(shè)計(jì)體驗(yàn)再加以教師的適當(dāng)引導(dǎo)，就可以想到借助74138實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣按燈點(diǎn)亮。

LED點(diǎn)陣按燈點(diǎn)亮原理圖如圖5所示。當(dāng)disp_sel[2：0]為0時(shí)，74138的輸入端會在000～111之間變化一次，此時(shí)，co[1]～co[8]便依次出現(xiàn)低電平，則DISP-CS0所對應(yīng)的LED列就會依次點(diǎn)亮；當(dāng)disp_sel[2：0]在000～111之間變化時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣按燈依次點(diǎn)亮。此時(shí)，教學(xué)過程已經(jīng)從以傳授知識為主的傳統(tǒng)教學(xué)理念轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q問題和完成任務(wù)為主的互動式教學(xué)理念。

2.3 歸納總結(jié)

“學(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆”，通過案例驅(qū)動式教學(xué)，學(xué)生要將自己習(xí)得的理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)感悟內(nèi)化為自己的能力，通過歸納總結(jié)得出設(shè)計(jì)規(guī)律，拓展設(shè)計(jì)電路的種類，提升自己設(shè)計(jì)的能力。

2.4 實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用

在案例驅(qū)動的最終步驟實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中，教師須要求學(xué)生根據(jù)相應(yīng)的資料和提示用LED點(diǎn)陣實(shí)現(xiàn)字母和數(shù)字顯示。資料包括：①PCtoLCD2002的使用；②用MegaWizard Plug-in Manager創(chuàng)建ROM的方法；③LED點(diǎn)陣的動態(tài)顯示原理。提示包括：①使用PCtoLCD2002生成字母或數(shù)字的字模，其中字模中1為點(diǎn)亮的LED燈，0為熄滅的LED燈；②字模放在ROM中等待調(diào)用；③LED點(diǎn)陣行線DISP-D0～DISP-D7由字?？刂疲琇ED點(diǎn)陣列線DISP-CS0～ DISP-CS7則由disp_sel[2：0]控制；④LED點(diǎn)陣要穩(wěn)定地顯示字母和數(shù)字，需要LED點(diǎn)陣的行和列以極快的頻率掃描，基于視覺暫留現(xiàn)象和LED點(diǎn)陣余暉，便得到穩(wěn)定的設(shè)計(jì)字符。8×8 LED點(diǎn)陣實(shí)現(xiàn)字母和數(shù)字的原理圖如圖6所示，其中插圖部分是實(shí)現(xiàn)顯示的數(shù)字9、7和字母Y、D。

一般情況下，大約10%的學(xué)生可以根據(jù)資料和提示設(shè)計(jì)出電路圖并利用試驗(yàn)箱完成設(shè)計(jì)任務(wù)，而這10%的學(xué)生又可以迅速將設(shè)計(jì)分享給暫時(shí)沒有解題思路的學(xué)生，從而形成團(tuán)結(jié)緊張、拼搏鉆研的學(xué)習(xí)氛圍。

3 結(jié) 語

借助數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學(xué)科研平臺，通過游戲教學(xué)[1-4]和案例教學(xué)，學(xué)生理解課程的能力和動手能力均得到大幅度提升，數(shù)字邏輯電路教學(xué)改革也得到較好地推進(jìn)。該平臺在眾多兄弟院校中使用，得到很多積極的評價(jià)，如創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)新穎獨(dú)特、實(shí)驗(yàn)平臺功能完善、教學(xué)思路新穎、值得推廣等；而案例驅(qū)動的教學(xué)方式既能為學(xué)生提供理論指導(dǎo)，又能為學(xué)生提供實(shí)踐和感悟問題的情境。任務(wù)的完成既能讓學(xué)生獲得滿足感和成就感，又可以激發(fā)他們的求知欲，從而提高學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改變學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，使學(xué)生建構(gòu)起探究、實(shí)踐、思考、運(yùn)用和解決問題的研究學(xué)習(xí)體系。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王紅航， 劉凱， 鄧春健， 等. 提高綜合應(yīng)用能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探討[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)， 2016（6）： 121-124.

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[3] 鄧春健， 李文生， 石建國， 等.“數(shù)字邏輯電路”教學(xué)改革與實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2009（12）： 139-142.

[4] 周文輝， 鄧春健， 黎萍. 電氣信息類課程中課堂游戲的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)， 2014（12）： 81-83.

（編輯：宋文婷）