計(jì)算機(jī)專業(yè)數(shù)字電子技術(shù)課程項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)研究

郭立強(qiáng)

摘 要：針對(duì)數(shù)字電路課程在傳統(tǒng)教學(xué)過程中重理論輕實(shí)驗(yàn)的問題，分析傳統(tǒng)的以理論教學(xué)為中心這一授課模式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出適合于計(jì)算機(jī)專業(yè)的數(shù)字電子技術(shù)課程項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)方案，以項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課程學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子技術(shù)；項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)；教學(xué)改革

0 引 言

數(shù)字電路是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、軟件工程和物聯(lián)網(wǎng)工程等相關(guān)計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)課。作為計(jì)算機(jī)專業(yè)電類入門課程之一，是傳統(tǒng)電路分析和模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)這兩門課的后續(xù)課程，在整個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)的人才培養(yǎng)體系中有著十分重要的地位。通過課程教學(xué)使學(xué)生掌握數(shù)字電路的基本理論，能夠?qū)Φ湫偷臄?shù)字邏輯電路進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，同時(shí)使學(xué)生具備良好的實(shí)踐能力，為后續(xù)專業(yè)課打下良好的基礎(chǔ) 。

然而，實(shí)際的教學(xué)狀況并不樂觀。通過教學(xué)反饋，大部分學(xué)生認(rèn)為數(shù)字電子技術(shù)這門課的理論偏多，實(shí)驗(yàn)課上只是用仿真軟件來模擬，缺乏實(shí)踐機(jī)會(huì)。整個(gè)學(xué)期結(jié)束后連最基本的電子元件都沒看到，更無法去認(rèn)識(shí)以及使用元器件了。

目前很多高校計(jì)算機(jī)專業(yè)數(shù)字電子技術(shù)這門課的授課方法是理論講授加上機(jī)實(shí)驗(yàn)的模式，其中，上機(jī)實(shí)驗(yàn)是通過EDA仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。從教學(xué)的角度來講，用軟件模擬的方式來替代硬件實(shí)驗(yàn)是很方便，但脫離了實(shí)際硬件實(shí)驗(yàn)的課程講授并不形象直觀，失去了電子技術(shù)的趣味性，學(xué)生學(xué)起來自然沒有勁頭。盡管傳統(tǒng)教學(xué)方法對(duì)理論知識(shí)的掌握這一目標(biāo)的達(dá)成具有一定的效果，然而這么做無助于使學(xué)生具備實(shí)際硬件故障檢測(cè)、分析和排除的能力。計(jì)算機(jī)專業(yè)數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)方法仍有很大的提升空間。

目前，關(guān)于計(jì)算機(jī)專業(yè)數(shù)字電子技術(shù)這門課的教改論文鮮有文獻(xiàn)報(bào)道，現(xiàn)有文獻(xiàn)都是計(jì)算機(jī)專業(yè)與本課程相關(guān)的其他的電類課程教改方案[1-6]。目前數(shù)字電子技術(shù)這門課的教改方案多數(shù)是針對(duì)電氣工程、電子通信等相關(guān)專業(yè)，如文獻(xiàn)[7]中實(shí)施的實(shí)踐教學(xué)方案、華中科技大學(xué)電子與信息工程系針對(duì)數(shù)理提高班學(xué)生進(jìn)行的教學(xué)改革[8]、文獻(xiàn)[9]中進(jìn)行的按需施教的教學(xué)方法等。這些教學(xué)改革方法對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)電子技術(shù)課程的教學(xué)與改革具有一定的借鑒意義。

1 項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的設(shè)置

基于項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的數(shù)字電路課程教學(xué)方案研究旨在提高學(xué)生對(duì)這門課的認(rèn)同感，把課程的教學(xué)重心向項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)上傾斜，通過學(xué)習(xí)使學(xué)生真正具備良好的工程實(shí)踐能力。我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)了“數(shù)字電子鐘”項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，教學(xué)過程除了進(jìn)行必要的理論教學(xué)，更多地借助該項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行專業(yè)知識(shí)的講授，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及解決問題的能力。同時(shí)，留給學(xué)生足夠的想象空間，通過一系列工程問題的分析與解決，使學(xué)生真正體會(huì)到電子技術(shù)的趣味性，更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，不斷滿足應(yīng)用實(shí)踐性人才的培養(yǎng)需求。

項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的目標(biāo)是通過項(xiàng)目任務(wù)的完成來實(shí)現(xiàn)對(duì)書本知識(shí)的學(xué)習(xí)與掌握。一方面，項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)要能夠涵蓋整個(gè)理論教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)；另一方面，通過項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。在實(shí)際的操作過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)不可能涵蓋所有的知識(shí)點(diǎn)，只能涉及核心知識(shí)點(diǎn)。例如，本門課的核心是組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)，實(shí)踐項(xiàng)目必須包括這兩大核心內(nèi)容。對(duì)于基礎(chǔ)邏輯門電路、脈沖波形的產(chǎn)生與變換、模數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換等內(nèi)容還是要借助仿真軟件來實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的過程中，要以硬件實(shí)訓(xùn)為主、軟件仿真為輔的教學(xué)模式來進(jìn)行。

通過項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)這一教學(xué)載體來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過項(xiàng)目的完成間接地實(shí)現(xiàn)知識(shí)的學(xué)習(xí)與掌握。在設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)首先對(duì)教材的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理，區(qū)分出哪些知識(shí)點(diǎn)是可以用仿真軟件來模擬，哪些是需要硬件實(shí)驗(yàn)來完成。同時(shí)，項(xiàng)目的確定要具有一定的綜合性和趣味性。根據(jù)本門課的教學(xué)內(nèi)容確立以數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)為項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的切入點(diǎn)。數(shù)字鐘的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，該項(xiàng)目涵蓋了本門課的核心知識(shí)點(diǎn)。

圖2是筆者開發(fā)的項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)電子套件的硬件電路板。七段數(shù)碼管用于顯示時(shí)間，而驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管工作的是譯碼顯示電路單元。顯示譯碼器是這一單元的核心器件，該單元電路的設(shè)計(jì)屬于典型的組合邏輯電路分析與設(shè)計(jì)的內(nèi)容。數(shù)字鐘主要是實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制和60進(jìn)制計(jì)數(shù)，而計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)是典型的時(shí)序邏輯電路的內(nèi)容。接下來就是時(shí)鐘信號(hào)源電路，時(shí)鐘電路的標(biāo)準(zhǔn)1Hz信號(hào)的實(shí)現(xiàn)可以采用多種方案：采用555定時(shí)器，但缺點(diǎn)是精度不高；或采用由晶振和分頻計(jì)數(shù)器芯片來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)訓(xùn)套件采用了后者方案，在具體的實(shí)現(xiàn)過程中還用到D觸發(fā)器進(jìn)行二分頻，這部分內(nèi)容也涉及時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)。最后是一些輔助電路，如電源電路、校時(shí)電路等。

2 項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的實(shí)施

對(duì)于學(xué)過數(shù)字電子技術(shù)這門課的學(xué)生而言，如果讓他們直接面對(duì)包含十幾個(gè)芯片的數(shù)字電子鐘硬件電路板，會(huì)使他們感覺理論上難于理解，實(shí)現(xiàn)上也會(huì)比較困難。為了減輕學(xué)生的心理負(fù)擔(dān)，筆者采用項(xiàng)目分解的方式，在整個(gè)教學(xué)過程中采用逐步滲透的方法，以教材中知識(shí)的呈現(xiàn)順序，把整個(gè)數(shù)字電子鐘項(xiàng)目進(jìn)行很自然的分解。本著由淺入深、循序漸進(jìn)的基本原則，筆者把數(shù)字電子鐘項(xiàng)目分解成如下子項(xiàng)目單元：顯示譯碼單元；計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)單元；1Hz信號(hào)單元；輔助電路單元。

在講解組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)這一章節(jié)時(shí)，需要學(xué)生完成顯示譯碼單元這一子項(xiàng)目。教材中在介紹這部分內(nèi)容時(shí)采用的是74LS47、74LS48芯片。教學(xué)過程中要講清楚如何使用相關(guān)芯片及數(shù)碼管來搭建顯示譯碼電路。圖2中的實(shí)訓(xùn)套件則采用CD4543芯片，一方面考慮價(jià)格因素，另一方面CD4543芯片的性能要優(yōu)于74LS47、74LS48芯片。在項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)中，要求學(xué)生學(xué)會(huì)去查閱CD4543芯片的Datasheet，熟悉該芯片的引腳功能，然后用該芯片來驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管，通過EDA軟件來實(shí)現(xiàn)譯碼顯示電路。通過這一子項(xiàng)目的完成使學(xué)生理解數(shù)碼管顯示的基本原理，同時(shí)，初步掌握組合邏輯電路設(shè)計(jì)的基本方法。

在講解時(shí)序邏輯電路時(shí)需要學(xué)生完成計(jì)數(shù)器單元和1Hz信號(hào)單元電路的設(shè)計(jì)，而計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)子項(xiàng)目是整個(gè)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的核心內(nèi)容。最初的方案是采用具有計(jì)數(shù)和譯碼顯示為一體的芯片（CD4026或者CD40110），這一方案可以使整個(gè)硬件電路大為化簡(jiǎn)，焊接成功率高，然而這么做學(xué)生不能很好地理解顯示譯碼電路的原理。本著使學(xué)生掌握知識(shí)的角度，我們還是采用了顯示譯碼與計(jì)數(shù)單元分開的設(shè)計(jì)方法。計(jì)數(shù)器采用74LS161芯片，通過適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)邏輯門電路，應(yīng)用復(fù)位法和置位法來實(shí)現(xiàn)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)。計(jì)數(shù)器單元的設(shè)計(jì)靈活度大，實(shí)現(xiàn)的方案比較多，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。通過這一子項(xiàng)目的訓(xùn)練使學(xué)生掌握任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)的基本原理，掌握時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)方法。

接下來就是1Hz信號(hào)單元設(shè)計(jì)子項(xiàng)目。該子項(xiàng)目涉及觸發(fā)器、脈沖波形的產(chǎn)生與變換以及分頻計(jì)數(shù)等相關(guān)知識(shí)。這一子項(xiàng)目要求學(xué)生能夠使用32768Hz的晶振、CD4060分頻計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器以及其他元器件來設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)電路。這一子項(xiàng)目的實(shí)施重點(diǎn)是使學(xué)生掌握分頻計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器的使用，讓學(xué)生理解計(jì)數(shù)器的分頻作用，也使學(xué)生理解為什么采用晶振電路而不是555計(jì)時(shí)芯片。同時(shí)，還可以給學(xué)生布置基于555芯片的1Hz信號(hào)生成電路。

最后就是輔助電路子項(xiàng)目的實(shí)施，主要是設(shè)計(jì)校時(shí)電路和輔助電源電路。這一子項(xiàng)目主要讓學(xué)生掌握利用開關(guān)二極管、電阻及電容等元件實(shí)現(xiàn)上升沿時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生的方法。為了便于使用，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用了USB供電的方案。電源輔助電路只是加入了濾波電容、電源指示電路以及電源開關(guān)。

通過把上述幾個(gè)子項(xiàng)目整合在一起形成一個(gè)完整的數(shù)字電子鐘項(xiàng)目。筆者在教學(xué)過程中，理論知識(shí)的講授都是圍繞上述子項(xiàng)目展開。前期通過EDA軟件把整個(gè)數(shù)字電子鐘項(xiàng)目進(jìn)行仿真并整合，使學(xué)生充分理解數(shù)字電子鐘的原理，然后在筆者所開發(fā)的硬件電路板上進(jìn)行實(shí)際的硬件焊接。圖3是學(xué)生焊接出來的成品圖。

焊接過程中，芯片并不是直接焊接在PCB上，而是先焊接芯片插座，然后把芯片插到插座上，這樣防止學(xué)生焊接操作不當(dāng)造成的芯片損壞。通過這一項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)，學(xué)生既掌握了理論，又提升了實(shí)際的動(dòng)手能力，而且完成電路焊接后學(xué)生很有成就感，對(duì)這門課的學(xué)習(xí)產(chǎn)生了濃厚的興趣。

3 結(jié) 語

數(shù)字電子技術(shù)課程的項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法是一種基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的一種教學(xué)模式。在具體的教學(xué)實(shí)施過程中要注重有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，突出理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生在分析解決問題過程中不死板、不循規(guī)蹈矩，勇于創(chuàng)新。通過幾年的教學(xué)實(shí)踐與反思，項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法既鍛煉了學(xué)生思考問題的能力，又通過項(xiàng)目導(dǎo)向挖掘?qū)W生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力，培養(yǎng)了實(shí)踐能力。

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（編輯：郭田珍）