基于EDA技術(shù)的《電工電子》實驗混合式教學(xué)模式研究

白燕燕 ，胡曉霞，陳潔浩，楚鑫源

（西安工商學(xué)院，陜西西安，710200）

0 引言

混合式課程建設(shè)已經(jīng)成為當(dāng)前"新工科"建設(shè)的解決方案共識。"新工科"這一新的教育理念,以培養(yǎng)高素質(zhì)、高技能、全面型人才為目的,通過對人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新，從而帶動整個社會經(jīng)濟的發(fā)展?；旌鲜浇虒W(xué)改革一定會重構(gòu)傳統(tǒng)課堂教學(xué)，因為這種教學(xué)把傳統(tǒng)教學(xué)的時間和空間都進行了擴展，“教”和“學(xué)”不一定都要在同一個時間同一個地點發(fā)生，在線教學(xué)平臺的核心價值就是拓展了教和學(xué)的時間和空間。

開展混合教學(xué)的最終目的不是去使用在線平臺，不是去建設(shè)數(shù)字化的教學(xué)資源，也不是去開展花樣翻新的教學(xué)活動，而是有效提升絕大部分學(xué)生學(xué)習(xí)的深度。

1 互聯(lián)網(wǎng)時代的實驗教學(xué)

大多數(shù)實驗課程都是依賴于理論課程，內(nèi)容方面不生動。實驗項目中，多為驗證性實驗,而設(shè)計性實驗太少, 學(xué)生不感興趣，其主觀能動性無法充分調(diào)動起來。

如何實現(xiàn)以學(xué)生學(xué)為中心的教學(xué)轉(zhuǎn)變，如何有效融入信息化及數(shù)字化教學(xué)工具，如何開展線上線下一體化的混合式教學(xué)，如何做到理論與實踐的融合，這些都是我們在教學(xué)模式和教學(xué)方法中需要解決的問題。

在“互聯(lián)網(wǎng)＋”時代，智慧校園應(yīng)運而生，智慧課堂教學(xué)備受關(guān)注。融合傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)與網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)優(yōu)勢的混合式學(xué)習(xí)(Blended Learning)將成為未來學(xué)校教學(xué)的主要方式。

無論是線上還是線下都需要給予學(xué)生及時的學(xué)習(xí)反饋，基于在線教學(xué)平臺或者其他小程序開展一些在線小測試是反饋學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要手段。通過這些反饋，讓教學(xué)的活動更加具有針對性，不但讓學(xué)生學(xué)得明明白白，也讓教師教的明明白白。

2 基于項目驅(qū)動和興趣導(dǎo)向的混合式教學(xué)模式

興趣是最好的老師，實踐指引著我們的方向。本課題立足項目驅(qū)動和興趣導(dǎo)向，深層次的研究了混合式教學(xué)在《電工電子》實驗這門課的積極推動作用。

2.1 混合式教學(xué)模式的構(gòu)建

課題組設(shè)計合適的教學(xué)情境，最大化的節(jié)約教學(xué)硬件設(shè)施，使硬件和軟件做到有機結(jié)合。

《電工電子》實驗是一門實踐性非常強的課程，我們的課程重在培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)、分析解決問題能力、動手能力和創(chuàng)新能力。

要實現(xiàn)這一目的,需要從各個方面改變原有的教育模式,建立新型的人才培養(yǎng)模式,提高大學(xué)生和高校教師隊伍的整體素質(zhì),包括工程實踐和創(chuàng)新能力等,從而將其融入到課內(nèi)與課外、理論與實踐的教學(xué)活動中,全面提高大學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。將線上課堂與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，實現(xiàn)混合式教學(xué)模式以及多層次的混合，是我們應(yīng)該持續(xù)努力的方向。

2.2 項目的選擇

在教學(xué)內(nèi)容安排上，根據(jù)學(xué)科專業(yè)特性，利用混合式教學(xué)進行課程模式探索。教師要做好教學(xué)設(shè)計，充分利用好課程學(xué)習(xí)前置的必要性，《電工電子》實驗課程以項目為驅(qū)動，以興趣為導(dǎo)向，提高學(xué)生的設(shè)計能力。

學(xué)生通過實驗，學(xué)習(xí)興趣得到激發(fā)，學(xué)習(xí)主動性和科技創(chuàng)新能力得到提高，為就業(yè)或進一步深造奠定了較好的基礎(chǔ)。今后如有條件，應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生申報校級的學(xué)生開放實驗項目或大學(xué)生創(chuàng)業(yè)項目，通過這些項目的研究，使理論知識和實際應(yīng)用相輔相成。圖1是基于項目驅(qū)動和興趣導(dǎo)向的混合式教學(xué)模式方框圖。

圖1 基于項目驅(qū)動和興趣導(dǎo)向的混合式教學(xué)模式框圖

2.3 教學(xué)的開放性

選擇《電工電子》實驗的《電子設(shè)計自動化》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》等實驗課程進行分析和案例對比。進行調(diào)研，設(shè)計出適合的教學(xué)情境和教學(xué)方法；在研究基礎(chǔ)上觀察和論證是否真正得到提高；對3門課程課堂效果對比，邊教學(xué)，邊實踐，邊改進。

本課程共選擇出7個案例?；A(chǔ)項目案例包括：任意進制計數(shù)器的設(shè)計、4位加法器設(shè)計、彩燈控制器設(shè)計、交通管理器設(shè)計以及搶答器設(shè)計。提高性項目案例包括：搖搖棒的設(shè)計和2層Leonardo開發(fā)板的設(shè)計。課程共分為兩個環(huán)節(jié)：理論教學(xué)環(huán)節(jié)和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

設(shè)計合適的教學(xué)情境，建立學(xué)生興趣小組。學(xué)生可從所有的案例中選擇自己感興趣的或者想要去做的1-2個去做。

2.4 教學(xué)案例之一任意進制計數(shù)器的設(shè)計

以下是學(xué)生選擇的基礎(chǔ)項目六進制計數(shù)器的設(shè)計。

計數(shù)器是一種使用相當(dāng)廣泛的功能器件，按照計數(shù)方式分為加法計數(shù)器、減法計數(shù)器，以及可逆計數(shù)器。按照工作方式可分為同步計數(shù)器和異步計數(shù)器。按照進制劃分，可以分為二進制、十進制和任意進制計數(shù)器。

74LS161是四位二進制同步加法計數(shù)器，除了有二進制加法計數(shù)功能外，還具有異步清零，同步置數(shù)、保持等功能。74LS160是8421BCD碼十進制同步加法計數(shù)器。也具有異步清零、同步置數(shù)、保持功能。

學(xué)生設(shè)計中分別選用74LS161和74LS160運用清零法和置數(shù)法，來設(shè)計六進制計數(shù)器。選用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器來產(chǎn)生1s的信號。圖2是運用74LS161二進制同步加法器設(shè)計的六進制計數(shù)器。這里使用了清零法。圖3是運用74LS160十進制同步加法器設(shè)計的六進制計數(shù)器。這里使用了同步置數(shù)法。

圖2 74LS161二進制同步加法器設(shè)計的六進制計數(shù)器

圖3 74LS160十進制同步加法器設(shè)計的六進制計數(shù)器

從實驗結(jié)果來看，電路設(shè)計簡單，易操作。學(xué)生從實驗中可以更好的掌握任意進制計數(shù)器的設(shè)計規(guī)則。設(shè)計中的注意事項是學(xué)生應(yīng)掌握74LS161或74LS160各個管腳的功能。對應(yīng)理解其真值表。

運用EDA設(shè)計工具可以直觀的看到實驗變化。在EDA設(shè)計工具MUTISIM的運行中，可以觀測到數(shù)碼管從0計數(shù)到5實現(xiàn)了六進制計數(shù)器的功能。 以此類推，可以運用十進制計數(shù)器或者二進制計數(shù)器進行任意進制計數(shù)器的設(shè)計。

2.5 教學(xué)案例之二搖搖棒的設(shè)計

以下是學(xué)生設(shè)計項目搖搖棒。搖搖棒就是每個LED燈按照一定亮滅形成“點”，將這些燈焊接成一列，形成了“線”，最后搖起來就形成了“面”。該項目包括單片機最小系統(tǒng)、LED燈16個，水銀開關(guān)、按鍵、電池。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 搖搖棒系統(tǒng)框圖

該項目的實現(xiàn)過程首先設(shè)計電路，繪制方框圖，其次利用EDA設(shè)計工具Altium Designer繪制電路原理圖，繪制印刷電路板，進行設(shè)計規(guī)則檢查，手工焊接電路板，最后編程，下載程序調(diào)試。在單片機正常工作前提下，以矩陣形式連接16個LED燈，加入水銀開關(guān)控制，朝一個方向搖晃時候顯示畫面，另一方向不顯示。再加入按鍵切換，能夠顯示更多畫面

圖5為搖搖棒的PCB設(shè)計圖。

圖5 搖搖棒的PCB設(shè)計圖

硬件電路設(shè)計完畢，最后是軟件設(shè)計。這里設(shè)計的是16*16LED點陣。編寫程序，下載程序，用取模軟件取出自己想要的字符編碼。第一維控制顯示屏幕的屏幕數(shù)，第二維度控制每個屏幕顯示的文字個數(shù)。

通過提高性項目學(xué)生可以更深刻的學(xué)會運用單片機的功能，做到學(xué)以致用。從項目中感受學(xué)習(xí)的樂趣。

3 學(xué)習(xí)效果分析

本課題的主要目標(biāo)是研究如何把傳統(tǒng)的實驗室驗證實驗做成創(chuàng)新的符合時代發(fā)展的新型工科實驗的問題。從實驗項目的定制，到實驗環(huán)節(jié)的設(shè)計和分工合作。通過基礎(chǔ)的電工電子實驗延伸，錄制相關(guān)操作視頻，提供教學(xué)材料，利用云班課和QQ群指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，分析案例，慕課學(xué)習(xí)。利用EDA設(shè)計工具MUTISIM，Altium Designer，Proteus, MATLAB等，邊實踐邊學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。潛移默化改變學(xué)生手機的娛樂用途，充分利用好網(wǎng)絡(luò)資源。

在本課程中，項目組前期已經(jīng)對數(shù)字電子技術(shù)實驗課建立興趣小組，以基礎(chǔ)項目開始逐漸過渡到提高性實驗。培養(yǎng)學(xué)生的實驗興趣和對真理的追求精神。興趣小組學(xué)生積極參加校內(nèi)外舉辦的各種比賽項目。多人次在藍橋杯單片機設(shè)計與開發(fā)、EDA設(shè)計與開發(fā)以及TI杯電子設(shè)計大賽中獲得省級以上獎項?；谂d趣和對知識應(yīng)用的追求，小組學(xué)生設(shè)計的指紋智能密碼鎖已經(jīng)應(yīng)用在該小組學(xué)生的宿舍門鎖中。

參加全國大學(xué)生科技競賽，更能增強大學(xué)生的市場競爭力。這就要求教師在教學(xué)中巧妙的把科研引入教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生獨立探索問題與進行科學(xué)研究的能力。

4 結(jié)束語

學(xué)生更好的利用多學(xué)科的綜合知識指導(dǎo)自身實驗順利完成，以及從實驗中強化理論知識。做到學(xué)以致用。使學(xué)生懂得用多學(xué)科多種途徑多種實驗方式來完成一種實驗。場景式表現(xiàn)，是案例最具特色的表現(xiàn)形式，將案例場景再現(xiàn)，模擬案例中的人物、事件、情節(jié)、道具等將案例表現(xiàn)在教學(xué)過程中，使案例更具真實性。通過場景引起學(xué)生的感官感受，增強案例的感染力。場景式表現(xiàn)增強了參與者的真實體驗，參與者身臨其境般的感受引發(fā)了其思考的主動性和積極性。