數字電路綜合實驗設計案例驅動法教學探討

王紅航+劉凱+鄧春健+楊健君+陳李勝+路月月

摘 要：針對應用型人才的培養目標和當前學生的學習狀態，提出借助數字電路/ARM7嵌入式系統多功能教學科研平臺，以LED點陣顯示為例，闡述五步教學法——理論講解（聽）、案例教學（看）、強化訓練（做）、歸納總結（思）和實戰應用（查），旨在用FPGA實現數字電路綜合實驗設計教學改革。

關鍵詞：教學改革；數字電路設計；教學平臺；案例驅動；應用型人才培養

文章編號：1672-5913（2017）07-0140-04

中圖分類號：G642

0 引 言

數字邏輯設計及應用是高等院校電氣信息類學科中一門重要的學科基礎課程，既有自身的理論體系，又有很強的實踐性，還是數字電路系統設計的先導課程，在整個人才培養中起著承上啟下的作用。

案例驅動教學法將以傳授知識為主的傳統教學理念，轉變為以解決問題并完成任務為主的互動式教學理念；將再現式教學轉變為探究式學習，使學生處于積極的學習狀態，讓每一位學生都能根據自己對當前問題的理解，運用已有的知識和個人體驗提出解決方案并最終解決問題。

1 實驗平臺

數字電路/ARM7嵌入式系統多功能教學科研平臺如圖1所示。該平臺以FPGA（field programmable gates array，現場可編程門陣列）為核心，以綜合性和創新性實驗為導向，具有豐富的外設接口以及豐富的設計資源。借助該平臺，學生可以使用EDA（electronic design automatic）技術實現復雜的數字電路設計，不僅能強化學生的實踐應用能力[1]，而且能使設計風格更靈活、設計效率更高。借助該平臺，可以進行一系列數字電路綜合實驗設計，借助于案例驅動教學法，提高學生的設計創新能力和實踐應用能力。

2 “LED點陣顯示”案例驅動教學

“LED點陣顯示”案例驅動教學需根據任務驅動五步教學法實現，分別為理論講解（聽）、案例教學（看）、強化訓練（做）、歸納總結（思）和實戰應用（查）。

2.1 理論講解和案例教學

數字電路/ARM7嵌入式系統多功能教學科研平臺中8×8 LED點陣顯示電路原理圖如圖2所示。由圖2知，要想點亮LED燈，只要LED的陽極接高電平、陰極接低電平即可。假定要實現第1個LED燈亮，令DISP-CS7=0，DISP-CS0～DISP-CS6為1，則PNP管（Q9）導通，Q9發射極的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LED燈亮。假定要實現第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 強化訓練

根據理論講解和案例教學，學生能學會如何控制某一個或某一列LED燈亮，教師可以布置任務讓學生點亮任何一個或者任何一列（行）LED燈。通過實踐練習，學生能夠輕而易舉地點亮LED燈。這個簡單的點燈實驗能夠幫助學生建立設計電路的自信心，滿足學生設計電路的成就感，激發他們對設計復雜電路的渴望。

此時，教師可以適當加大實驗難度，如實現LED點陣按列（行）依次點亮。這時，學生會根據自己的想法控制LED點陣按列（行）點亮，教師的角色則應該由教變為導，參與學生的設計中并且在適當的時機給予一定的引導。如果學生能夠想到可以令DISP-D0～DISP-D7為0，而將DISP-CS0～DISP-CS7輪流置為0，就可以實現LED點陣按列點亮；或者令DISP-CS0～DISP-CS7為0，而將DISP-D0～DISP-D7輪流置為0，則可以實現LED點陣按行依次點亮。此時，教學過程已經從再現式教學轉變為探究式學習。

一旦學生意識到這個關鍵的技術點，他們就會立即想到由計數器加上譯碼器實現LED點陣的依次點亮，因為上述案例和跑馬燈的設計非常相似。74154實現數碼管和LED點陣的控制原理圖如圖3所示，其原理可以參考文獻[1]，學生可以用74154芯片（電路板上芯片）和計數器（由FPGA實現）實現案例設計。LED陣列按列點亮原理圖如圖4所示，其中的插圖即為某列LED燈點亮圖。在這個案例中，學生可能會對系統時鐘clk頻率（49.152 MHz）進行不同的分頻，此時，教師應該將任務具體化為肉眼能夠分辨出LED點陣是按列點亮即可。

此時，教師可以再次加大實驗難度，如實現LED點陣按燈依次點亮。教師可以引導學生：①假定DISP-CS*為0，設置DISP-D0～DISP-D7輪流為0，可以實現LED點陣第*列LED燈依次點亮；②假定DISP-CS0～DISP-CS7輪流為0，且DISP-CS*為0的時間剛好可以實現第*列LED燈依次點亮完畢；③假定條件成立。一般情況下，學生基于前面的設計體驗再加以教師的適當引導，就可以想到借助74138實現LED點陣按燈點亮。

LED點陣按燈點亮原理圖如圖5所示。當disp_sel[2：0]為0時，74138的輸入端會在000～111之間變化一次，此時，co[1]～co[8]便依次出現低電平，則DISP-CS0所對應的LED列就會依次點亮；當disp_sel[2：0]在000～111之間變化時，可以實現LED點陣按燈依次點亮。此時，教學過程已經從以傳授知識為主的傳統教學理念轉變為以解決問題和完成任務為主的互動式教學理念。

2.3 歸納總結

“學而不思則罔，思而不學則殆”，通過案例驅動式教學，學生要將自己習得的理論知識和實踐經驗感悟內化為自己的能力，通過歸納總結得出設計規律，拓展設計電路的種類，提升自己設計的能力。

2.4 實戰應用

在案例驅動的最終步驟實戰應用中，教師須要求學生根據相應的資料和提示用LED點陣實現字母和數字顯示。資料包括：①PCtoLCD2002的使用；②用MegaWizard Plug-in Manager創建ROM的方法；③LED點陣的動態顯示原理。提示包括：①使用PCtoLCD2002生成字母或數字的字模，其中字模中1為點亮的LED燈，0為熄滅的LED燈；②字模放在ROM中等待調用；③LED點陣行線DISP-D0～DISP-D7由字模控制，LED點陣列線DISP-CS0～ DISP-CS7則由disp_sel[2：0]控制；④LED點陣要穩定地顯示字母和數字，需要LED點陣的行和列以極快的頻率掃描，基于視覺暫留現象和LED點陣余暉，便得到穩定的設計字符。8×8 LED點陣實現字母和數字的原理圖如圖6所示，其中插圖部分是實現顯示的數字9、7和字母Y、D。

一般情況下，大約10%的學生可以根據資料和提示設計出電路圖并利用試驗箱完成設計任務，而這10%的學生又可以迅速將設計分享給暫時沒有解題思路的學生，從而形成團結緊張、拼搏鉆研的學習氛圍。

3 結 語

借助數字電路/ARM7嵌入式系統多功能教學科研平臺，通過游戲教學[1-4]和案例教學，學生理解課程的能力和動手能力均得到大幅度提升，數字邏輯電路教學改革也得到較好地推進。該平臺在眾多兄弟院校中使用，得到很多積極的評價，如創新實驗設計新穎獨特、實驗平臺功能完善、教學思路新穎、值得推廣等；而案例驅動的教學方式既能為學生提供理論指導，又能為學生提供實踐和感悟問題的情境。任務的完成既能讓學生獲得滿足感和成就感，又可以激發他們的求知欲，從而提高學習效率，培養學生的學習興趣，改變學生的學習狀態，使學生建構起探究、實踐、思考、運用和解決問題的研究學習體系。

參考文獻：

[1] 王紅航， 劉凱， 鄧春健， 等. 提高綜合應用能力的實驗教學方法探討[J]. 實驗科學與技術， 2016（6）： 121-124.

[2] 呂燚， 鄧春健， 黃杰勇. 利用 EDA技術全面改進數字電路課程教學[J]. 福建電腦， 2008（6）： 208-209.

[3] 鄧春健， 李文生， 石建國， 等.“數字邏輯電路”教學改革與實驗平臺建設[J]. 計算機教育， 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計與實踐[J]. 電氣電子教學學報， 2014（12）： 81-83.

（編輯：宋文婷）