基于線上線下混合式的電子線路教學(xué)案例設(shè)計(jì)

劉娟秀　高偉　金艷艷　粟娟　羅樂(lè)

關(guān)鍵詞：電工電子課程；線上線下混合式；“互聯(lián)網(wǎng)+”在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）20-0164-03

0 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，線上線下混合式教學(xué)成為高等教育的一種常態(tài)。教育部高等教育司吳巖指出，傳統(tǒng)意義上的課堂教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)融入的在線教學(xué)將長(zhǎng)期共存并深度融合[1]。為了更好地將信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)環(huán)節(jié)，本文研究了結(jié)合在線課程資源、“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的線上線下混合式電子線路教學(xué)案例設(shè)計(jì)。同時(shí)由于電工電子技術(shù)的發(fā)展、電路分析和設(shè)計(jì)方法的更新速度極快，結(jié)合目前教學(xué)現(xiàn)狀，將比較新穎的設(shè)計(jì)需求引入課程中，將課程需掌握的知識(shí)點(diǎn)技能點(diǎn)與項(xiàng)目任務(wù)聯(lián)系起來(lái)，有機(jī)融合電類基礎(chǔ)課程的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)教師主動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生去動(dòng)手實(shí)踐一個(gè)完整項(xiàng)目的整個(gè)進(jìn)程[2]，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)的興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力。

1 設(shè)計(jì)要求及原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)一種基于數(shù)字電子技術(shù)的對(duì)對(duì)碰闖關(guān)大戰(zhàn)的電路。電路設(shè)置兩個(gè)按鍵區(qū)A、B，具體規(guī)則為：1） A、B分別有8路開(kāi)關(guān)，A組8路開(kāi)關(guān)按下分別對(duì)應(yīng)顯示1～8號(hào)號(hào)碼牌，B組亦如此。2） 開(kāi)關(guān)順序隨機(jī)排列，闖關(guān)者須找到A、B組中相同號(hào)碼牌的開(kāi)關(guān)同時(shí)按下才能點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)的燈。3） 必須從1號(hào)依次匹配至8號(hào)，所有燈都點(diǎn)亮就代表闖關(guān)成功，用時(shí)最短者獲勝。

根據(jù)上述規(guī)則，本實(shí)驗(yàn)需完成開(kāi)關(guān)電路、編碼顯示電路以及觸發(fā)器級(jí)聯(lián)電路的設(shè)計(jì)。基本要求如下：

1） 開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)：16個(gè)開(kāi)關(guān)按鍵分為A、B兩路，每個(gè)開(kāi)關(guān)按下時(shí)需對(duì)應(yīng)顯示其編號(hào)。當(dāng)A、B兩路中代表同一個(gè)號(hào)碼的開(kāi)關(guān)按下時(shí)，電路需比較判別出是否一致。

2） 編碼顯示電路：采用優(yōu)先編碼器設(shè)計(jì)編碼顯示電路，電路設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的編碼隨機(jī)排列，按下開(kāi)關(guān)即顯示出編碼。

3） 觸發(fā)器級(jí)聯(lián)電路：當(dāng)開(kāi)關(guān)電路判別出兩路信號(hào)一致且是1號(hào)時(shí)，觸發(fā)器需存儲(chǔ)該狀態(tài)并點(diǎn)亮1號(hào)匹配指示燈。1號(hào)點(diǎn)亮后，當(dāng)開(kāi)關(guān)電路判別出兩路信號(hào)一致且是2號(hào)時(shí)，觸發(fā)器須存儲(chǔ)該狀態(tài)并點(diǎn)亮2號(hào)匹配指示燈，其余依次進(jìn)行。

4） 指示電路：兩路開(kāi)關(guān)匹配成功時(shí)以不同顏色的指示燈顯示。

5） 復(fù)位電路：設(shè)計(jì)一個(gè)按鍵對(duì)觸發(fā)器和顯示電路的初始狀態(tài)進(jìn)行清零。

1.2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路的需求，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為如圖1 所示的框圖。開(kāi)關(guān)電路部分將16個(gè)開(kāi)關(guān)按鍵分為A、B兩路，每個(gè)開(kāi)關(guān)按下時(shí)需對(duì)應(yīng)顯示其編號(hào)。因此編碼顯示電路部分應(yīng)考慮采用優(yōu)先編碼器設(shè)計(jì)，硬件連線時(shí)每個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的編碼隨機(jī)，按下開(kāi)關(guān)即對(duì)該信號(hào)進(jìn)行編碼并通過(guò)顯示譯碼器顯示在七段數(shù)碼管上。比較判別電路的功能為A、B兩路開(kāi)關(guān)中兩個(gè)按鍵按下時(shí)，電路需比較判別出兩個(gè)開(kāi)關(guān)的編號(hào)是否一致。如一致且是1號(hào)時(shí)，第一個(gè)觸發(fā)器輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)點(diǎn)亮1號(hào)匹配指示燈。第一個(gè)觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)后，第二個(gè)觸發(fā)器才能發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)并點(diǎn)亮2號(hào)匹配指示燈。因此觸發(fā)器級(jí)聯(lián)電路的功能類似流水燈，可以采用移位寄存器的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。指示電路的作用為兩路開(kāi)關(guān)匹配成功時(shí)以不同顏色的指示燈顯示。

實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示，擴(kuò)展功能脈沖信號(hào)產(chǎn)生和計(jì)時(shí)電路作為單獨(dú)的兩個(gè)模塊可供學(xué)生選做。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將趣味性電路的設(shè)計(jì)引入學(xué)生的課程中來(lái)，運(yùn)用現(xiàn)有所學(xué)的數(shù)字電子技術(shù)來(lái)解決該實(shí)際問(wèn)題[3]。設(shè)計(jì)案例需要運(yùn)用信號(hào)編碼、數(shù)據(jù)顯示、組合邏輯電路及時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)等相關(guān)知識(shí)與技術(shù)方法，涵蓋了數(shù)字電子技術(shù)課程的核心內(nèi)容，綜合性較強(qiáng)。

2 線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)目標(biāo)

以數(shù)字電子技術(shù)課程為依托，將組合邏輯電路和時(shí)序電路章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)該門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課知識(shí)的綜合運(yùn)用。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使學(xué)生理解電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法的多樣性及如何根據(jù)工程需求比較選擇技術(shù)方案，同時(shí)進(jìn)一步鍛煉學(xué)生對(duì)常用儀器儀表的使用，著重培養(yǎng)學(xué)生硬件設(shè)計(jì)思維和硬件調(diào)試能力[4]。體驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)快樂(lè)，承受挫折失敗，培養(yǎng)團(tuán)結(jié)意識(shí)，提升社會(huì)責(zé)任感。

2.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)的過(guò)程是一個(gè)比較完整的解決實(shí)際問(wèn)題的電路設(shè)計(jì)及實(shí)踐，需要經(jīng)歷學(xué)習(xí)研究、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、“互聯(lián)網(wǎng)+”在線平臺(tái)電路驗(yàn)證、實(shí)現(xiàn)調(diào)試、測(cè)試標(biāo)定、答辯演示、設(shè)計(jì)總結(jié)等過(guò)程。項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖3所示。課前、課中和課后各階段任務(wù)明確，實(shí)施過(guò)程中利用實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)程管控和報(bào)告提交、評(píng)閱，同時(shí)結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如圖4） ，在課外進(jìn)行電路功能驗(yàn)證。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合理論課程知識(shí)點(diǎn)，從課程內(nèi)容本身出發(fā)探尋其蘊(yùn)含的思政點(diǎn)，以案例教學(xué)法和啟發(fā)教學(xué)法將課程知識(shí)蘊(yùn)含的思政元素傳遞給學(xué)生。

2.3 教學(xué)實(shí)施過(guò)程

1） 課前預(yù)習(xí)

教師課前通過(guò)智慧樹(shù)在線平臺(tái)發(fā)布預(yù)習(xí)內(nèi)容，內(nèi)容有本實(shí)驗(yàn)題目要求、相關(guān)知識(shí)點(diǎn)及芯片和元器件使用指導(dǎo)視頻，部分其他參考資料以及預(yù)習(xí)思考題。需要學(xué)生根據(jù)題目要求在討論區(qū)進(jìn)行討論，發(fā)表對(duì)題目的理解、觀點(diǎn)或問(wèn)題，教師通過(guò)討論區(qū)中提出的問(wèn)題，進(jìn)行有針對(duì)性的講解和解答，線上指導(dǎo)引領(lǐng)相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，查找相關(guān)資料，能理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，完成預(yù)習(xí)思考題，并且對(duì)于本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程有一個(gè)清晰的思路，為后續(xù)課程講解打下基礎(chǔ)。

2） 課中方案講解、仿真設(shè)計(jì)

進(jìn)入實(shí)驗(yàn)課堂后，老師針對(duì)本案例設(shè)計(jì)提供大概的思路，講解設(shè)計(jì)過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)重難點(diǎn)做出相關(guān)提示。課程中以引導(dǎo)為主，進(jìn)行題目剖析、理論知識(shí)講解和方案引導(dǎo)。通常有多種實(shí)現(xiàn)方法，需要引導(dǎo)學(xué)生分析不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)提供實(shí)物焊接所需儀器及元器件和芯片，老師需要對(duì)元器件領(lǐng)取及使用規(guī)則和安全問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)講解，并且進(jìn)行安裝圖畫(huà)法講解。

確定設(shè)計(jì)方案和功能模塊后，學(xué)生利用Multisim 軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，分為基本要求設(shè)計(jì)部分和擴(kuò)展功能設(shè)計(jì)部分兩部分。根據(jù)要求完成相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容，注重過(guò)程設(shè)計(jì)，要求分模塊設(shè)計(jì)仿真、驗(yàn)證，分析解決仿真中出現(xiàn)的問(wèn)題，教師針對(duì)同學(xué)遇到的問(wèn)題進(jìn)行解答或引導(dǎo)。

3） 課外“互聯(lián)網(wǎng)+”在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證

利用在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行各模塊電路的功能驗(yàn)證，修改并完善所設(shè)計(jì)的電路[5]。通過(guò)在線平臺(tái)驗(yàn)證自己所設(shè)計(jì)的電路滿足功能要求后，完成電路安裝圖設(shè)計(jì)（網(wǎng)孔板或印制電路板均可），完成實(shí)物的焊接。圖5 為學(xué)生利用在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行所設(shè)計(jì)的電路功能驗(yàn)證，并提交實(shí)驗(yàn)截圖。

4） 課中實(shí)物調(diào)試、設(shè)計(jì)驗(yàn)收

第二次實(shí)驗(yàn)課程，教師重點(diǎn)講解分模塊調(diào)試方法和故障排除方法，學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)要求確定系統(tǒng)的基本程序流程，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行功能測(cè)試。在功能模塊設(shè)計(jì)、調(diào)試完成后，整合各功能模塊，搭建系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，并按照測(cè)評(píng)表逐項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。教師按照各模塊完成指標(biāo)情況進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)分和考核。PCB和電路實(shí)物如圖6、圖7所示。

5） 課后報(bào)告總結(jié)、評(píng)價(jià)反饋

實(shí)驗(yàn)完成后，組織學(xué)生以項(xiàng)目演講、答辯、評(píng)講的形式進(jìn)行交流，了解不同方案及其特點(diǎn)，拓展知識(shí)面。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板的要求完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)，須詳細(xì)闡述設(shè)計(jì)過(guò)程的思路及過(guò)程，重點(diǎn)關(guān)注遇到的問(wèn)題及解決方法。報(bào)告提交至實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)后，教師在電子版報(bào)告上進(jìn)行批改評(píng)分。同時(shí)教師在智慧樹(shù)線上平臺(tái)發(fā)布話題，學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)反饋。

2.4 課程考核

課程考核設(shè)置了課前、課中和課后環(huán)節(jié)的考核，通過(guò)明確的考核要求設(shè)計(jì)，強(qiáng)化過(guò)程管理。同時(shí)引入擴(kuò)展功能激勵(lì)機(jī)制，通過(guò)考查內(nèi)容的階梯性，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，提升學(xué)習(xí)動(dòng)力。另外，在考核中重視設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告的撰寫(xiě)，考查實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)范性與完整性。成績(jī)?cè)u(píng)定方法如表1所示。

3 結(jié)論

該項(xiàng)目通過(guò)新穎性、趣味性的電路設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)參與度。所用知識(shí)點(diǎn)涵蓋了數(shù)字電子技術(shù)的主要章節(jié)內(nèi)容，包含了一個(gè)較為完整的數(shù)字電路設(shè)計(jì)流程，可強(qiáng)化學(xué)生對(duì)該門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課知識(shí)的綜合運(yùn)用。解決學(xué)生對(duì)這門(mén)課程知識(shí)前后知識(shí)無(wú)法關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，學(xué)生還可以將理論課程所學(xué)知識(shí)整合后結(jié)合實(shí)驗(yàn)將其進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解整個(gè)工程設(shè)計(jì)的過(guò)程，在需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真分析、電路構(gòu)建、測(cè)試電路和分析等方面的能力得到充分鍛煉。

另外項(xiàng)目難度適中、方案設(shè)計(jì)多樣、單元化特點(diǎn)明顯、擴(kuò)展性強(qiáng)，并具有考核標(biāo)準(zhǔn)層次化的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)各階段目標(biāo)明確，采用線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式，充分利用在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行電路功能驗(yàn)證，使學(xué)生實(shí)驗(yàn)不受空間和時(shí)間的限制，可以自由發(fā)揮進(jìn)行設(shè)計(jì)并驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)能力。