學分制下“數字電子技術”項目式教學的研究

宣傳忠　郝敏　吳利斌　曲輝　王利娟　葛巖

摘要：本文分析了在學分制下“數字電子技術”課程教學中存在的困難和不足，提出了項目式教學的方法，并對項目式教學的實例設計進行了深入地研究，學生根據項目的設計任務，選擇總體方案，設計單元電路，選擇器件，計算參數，畫電路圖，進行仿真試驗和性能測試，在實際設計過程中學生往往反復進行以上各步驟，實踐證明，該方法提高了學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效果。

關鍵詞：學分制；“數字電子技術”；項目式；教學研究

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）45-0194-04

一、引言

內蒙古農業大學積極推動本科教學，提出本科生的完全學分制教育，將“數字電子技術”課程的學時壓縮至54學時，留出更多的時間讓學生來主動學習和增強動手能力。筆者試圖在“數字電子技術”課程的基礎教學中增加一個項目式教學環節，它使學生自己通過設計和搭建一個實用電子產品雛形，鞏固和加深在“數字電子技術”課程中的理論基礎和實驗中的基本技能，訓練電子產品制作時的動手能力。這需要研究出適合學生動手實踐的項目，學生根據項目要求設計出符合要求的電路，從而掌握數字電路的一般設計方法和步驟，訓練并提高學生在文獻檢索、資料利用、方案比較和元器件選擇等方面的綜合能力，同時為畢業設計和畢業以后從事電子技術方面的科研和開發打下一定的基礎[1]。

二、項目式教學的目的

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

三、項目式教學的步驟

學生根據設計教師步驟的項目任務，從選擇設計方案開始，進行電路設計[4]；選擇合適的器件，畫出設計電路圖；通過安裝、調試，直至實現任務要求的全部功能，對電路要求布局合理，走線清晰，工作可靠，經驗收合格后，寫出完整的課程設計報告[5]。

1.總體方案選擇。設計電路的第一步就是選擇總體方案，就是根據提出的設計任務要求及性能指標，用具有一定功能的若干單元電路組成一個整體，來實現設計任務提出的各項要求和技術指標[6]。設計過程中，往往有多種方案可以選擇，應針對任務要求，查閱資料，權衡各方案的優缺點，從中選優。

2.單元電路的設計。（1）設計單元電路的一般方法和步驟：①根據設計要求和選定的總體方案原理圖，確定對各單元電路的設計要求，必要時應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，對它們進行設計。③單元電路設計應采用符合的電平標準。（2）元器件的選擇。針對數字電路的課程設計，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，轉換電路選0809，譯碼及顯示驅動電路也都相對固定。但由于電路參數要求不同，還需要通過選擇參數來確定集成塊型號。一個電路設計，單用數字電路課程內容是不夠的，往往同時摻有線性電路元件和集成塊，因此還需熟悉相應內容，比如運算放大器的種類和基本用法、集成比較器和集成穩壓電路的特性和用法。總之，構建單元電路時，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、脈沖產生電路、數模和模數轉換電路、采樣和存儲電路等，參數選擇恰當可以發揮其性能并節約設計成本。

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

3.單元電路調整與連調。數字電路設計以邏輯關系為主體，因此各單元電路的輸入輸出邏輯關系與它們之間的正確傳遞決定了設計內容的成敗。具體步驟要求每一個單元電路都須經過調整，有條件的情況下可應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計的最后步驟，主要包含兩方面，分別是電平匹配和驅動電流匹配。它也是整個設計成功的關鍵一步。

4.衡量設計的標準。工作穩定可靠；能達到預定的性能指標，并留有適當的余量；電路簡單，成本低，功耗低；器件數目少，集成體積小，便于生產和維護。

5.課程設計報告要求。課程設計報告應包括以下內容：對設計課題進行簡要闡述；設計任務及其具體要求；總體設計方案方框圖及各部分電路設計（含各部分電路功能、輸入信號、輸出信號、電路設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（電路圖應用標準邏輯符號繪制，電路圖中應標明接線引出端名稱、元件編號等）；器件清單；調試結果記錄；課程設計報告應內容完整、字跡工整、圖表整齊、數據翔實。

四、項目式教學實例

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框圖如圖1所示。

2.設計任務和要求。設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）應滿足兩個方向的工作時序，即東西方向亮紅燈時間應等于南北方向亮黃、綠燈時間之和，南北方向亮紅燈時間應等于東西方向亮黃、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。endprint

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

（4）可以手動調整和自動控制，夜間為黃燈閃耀。

（5）在完成上述任務后，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發光二極管模擬汽車行駛電路。當某一方向綠燈亮時，這一方向的發光二極管接通，并一個一個向前移動，表示汽車在行駛；當遇到黃燈亮時，移位發光二極管就停止，而過了十字路口的移位發光二極管繼續向前移動；紅燈亮時，則另一方向轉為綠燈亮，那么，這一方向的LED發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，發光二極管；⑥電阻；⑦開關。

4.設計方案提示。根據設計任務和要求，參考交通燈控制器的邏輯電路，設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、紅燈所亮時間比例分別為5∶1∶6，所以，若選4秒（也可以3秒）為一個單位時間，則計數器每計4秒輸出一個脈沖，這一電路就很容易實現。邏輯電路參考前面有關課題。

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

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。當綠燈亮時，使減法計數器開始工作（用對方的紅燈信號控制），每來一個秒脈沖，使計數器減1，直到計數器為“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，計數器材用可預置加、減法計數器，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進行。置開關在手動位置，輸入單次脈沖，可使交通燈在某一位置上，開關在自動位置時，則交通信號燈按自動循環工作方式運行。夜間時，將夜間開關接通，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，即當某一方向綠燈亮時，則綠燈亮“G”信號使該路方向的移位通路打開，而當黃、紅燈亮時，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。

五、結語

項目教學法主張先練后講、先學后教，強調學生的自主學習，主動參與，從嘗試入手，從練習開始，調動學生學習的主動性、創造性、積極性等，學生唱“主角”，而教師轉為“配角”，實現了教師角色的換位，有利于加強對學生自學能力、創新能力的培養。筆者就多個方面對項目教學法進行了嘗試性的研究與實踐，也取得了非常好的效果。

參考文獻：

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

[2]謝劍斌，李沛秦，閆瑋，劉通，丁文霞.在“數字電子技術”教學中培養學生創新能力[J].電氣電子教學學報，2010，（06）：5-6，9.

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

[4]張學成.數字電子技術實驗改革與創新[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”試點班課堂教學改革與實踐——以數字電子技術基礎為例[J].教學研究，2012，（01）：46-49，64.

[6]鄭潔.“數字電子技術”課程實施研究性教學的探索[J].電氣電子教學學報，2007，（06）：94-96.

基金項目：內蒙古農業大學教育教學改革研究項目資助（JG-2012）

作者簡介：宣傳忠（1977-），男，講師，內蒙古農業大學機電工程學院，碩士，研究方向：農業工程測試與控制。endprint