計算機專業數字電子技術課程項目實訓研究

郭立強

摘 要：針對數字電路課程在傳統教學過程中重理論輕實驗的問題，分析傳統的以理論教學為中心這一授課模式的優缺點，提出適合于計算機專業的數字電子技術課程項目實訓方案，以項目實訓來引導學生進行課程學習，培養學生的應用實踐能力。

關鍵詞：數字電子技術；項目實訓；教學改革

0 引 言

數字電路是計算機科學技術、軟件工程和物聯網工程等相關計算機專業的基礎課。作為計算機專業電類入門課程之一，是傳統電路分析和模擬電子技術基礎這兩門課的后續課程，在整個計算機專業的人才培養體系中有著十分重要的地位。通過課程教學使學生掌握數字電路的基本理論，能夠對典型的數字邏輯電路進行分析與設計，同時使學生具備良好的實踐能力，為后續專業課打下良好的基礎 。

然而，實際的教學狀況并不樂觀。通過教學反饋，大部分學生認為數字電子技術這門課的理論偏多，實驗課上只是用仿真軟件來模擬，缺乏實踐機會。整個學期結束后連最基本的電子元件都沒看到，更無法去認識以及使用元器件了。

目前很多高校計算機專業數字電子技術這門課的授課方法是理論講授加上機實驗的模式，其中，上機實驗是通過EDA仿真軟件進行實驗仿真。從教學的角度來講，用軟件模擬的方式來替代硬件實驗是很方便，但脫離了實際硬件實驗的課程講授并不形象直觀，失去了電子技術的趣味性，學生學起來自然沒有勁頭。盡管傳統教學方法對理論知識的掌握這一目標的達成具有一定的效果，然而這么做無助于使學生具備實際硬件故障檢測、分析和排除的能力。計算機專業數字電子技術課程的教學方法仍有很大的提升空間。

目前，關于計算機專業數字電子技術這門課的教改論文鮮有文獻報道，現有文獻都是計算機專業與本課程相關的其他的電類課程教改方案[1-6]。目前數字電子技術這門課的教改方案多數是針對電氣工程、電子通信等相關專業，如文獻[7]中實施的實踐教學方案、華中科技大學電子與信息工程系針對數理提高班學生進行的教學改革[8]、文獻[9]中進行的按需施教的教學方法等。這些教學改革方法對計算機專業電子技術課程的教學與改革具有一定的借鑒意義。

1 項目實訓的設置

基于項目實訓的數字電路課程教學方案研究旨在提高學生對這門課的認同感，把課程的教學重心向項目實訓上傾斜，通過學習使學生真正具備良好的工程實踐能力。我們設計開發了“數字電子鐘”項目實訓平臺，教學過程除了進行必要的理論教學，更多地借助該項目實訓平臺進行專業知識的講授，激發學生發現問題、分析問題以及解決問題的能力。同時，留給學生足夠的想象空間，通過一系列工程問題的分析與解決，使學生真正體會到電子技術的趣味性，更好地激發學生學習興趣，不斷滿足應用實踐性人才的培養需求。

項目實訓的目標是通過項目任務的完成來實現對書本知識的學習與掌握。一方面，項目實訓要能夠涵蓋整個理論教學的知識點；另一方面，通過項目實訓培養了學生的實踐創新能力。在實際的操作過程中會發現項目實訓不可能涵蓋所有的知識點，只能涉及核心知識點。例如，本門課的核心是組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析與設計，實踐項目必須包括這兩大核心內容。對于基礎邏輯門電路、脈沖波形的產生與變換、模數及數模轉換等內容還是要借助仿真軟件來實現。在整個項目實訓的過程中，要以硬件實訓為主、軟件仿真為輔的教學模式來進行。

通過項目實訓這一教學載體來激發學生的學習興趣，通過項目的完成間接地實現知識的學習與掌握。在設計項目時首先對教材的知識點進行梳理，區分出哪些知識點是可以用仿真軟件來模擬，哪些是需要硬件實驗來完成。同時，項目的確定要具有一定的綜合性和趣味性。根據本門課的教學內容確立以數字電子鐘的設計為項目實訓的切入點。數字鐘的電路結構如圖1所示，該項目涵蓋了本門課的核心知識點。

圖2是筆者開發的項目實訓電子套件的硬件電路板。七段數碼管用于顯示時間，而驅動數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，該單元電路的設計屬于典型的組合邏輯電路分析與設計的內容。數字鐘主要是實現24進制和60進制計數，而計數器的設計是典型的時序邏輯電路的內容。接下來就是時鐘信號源電路，時鐘電路的標準1Hz信號的實現可以采用多種方案：采用555定時器，但缺點是精度不高；或采用由晶振和分頻計數器芯片來實現。本實訓套件采用了后者方案，在具體的實現過程中還用到D觸發器進行二分頻，這部分內容也涉及時序邏輯電路的分析與設計。最后是一些輔助電路，如電源電路、校時電路等。

2 項目實訓的實施

對于學過數字電子技術這門課的學生而言，如果讓他們直接面對包含十幾個芯片的數字電子鐘硬件電路板，會使他們感覺理論上難于理解，實現上也會比較困難。為了減輕學生的心理負擔，筆者采用項目分解的方式，在整個教學過程中采用逐步滲透的方法，以教材中知識的呈現順序，把整個數字電子鐘項目進行很自然的分解。本著由淺入深、循序漸進的基本原則，筆者把數字電子鐘項目分解成如下子項目單元：顯示譯碼單元；計數器設計單元；1Hz信號單元；輔助電路單元。

在講解組合邏輯電路的分析與設計這一章節時，需要學生完成顯示譯碼單元這一子項目。教材中在介紹這部分內容時采用的是74LS47、74LS48芯片。教學過程中要講清楚如何使用相關芯片及數碼管來搭建顯示譯碼電路。圖2中的實訓套件則采用CD4543芯片，一方面考慮價格因素，另一方面CD4543芯片的性能要優于74LS47、74LS48芯片。在項目實訓中，要求學生學會去查閱CD4543芯片的Datasheet，熟悉該芯片的引腳功能，然后用該芯片來驅動共陰極數碼管，通過EDA軟件來實現譯碼顯示電路。通過這一子項目的完成使學生理解數碼管顯示的基本原理，同時，初步掌握組合邏輯電路設計的基本方法。

在講解時序邏輯電路時需要學生完成計數器單元和1Hz信號單元電路的設計，而計數器設計子項目是整個項目實訓的核心內容。最初的方案是采用具有計數和譯碼顯示為一體的芯片（CD4026或者CD40110），這一方案可以使整個硬件電路大為化簡，焊接成功率高，然而這么做學生不能很好地理解顯示譯碼電路的原理。本著使學生掌握知識的角度，我們還是采用了顯示譯碼與計數單元分開的設計方法。計數器采用74LS161芯片，通過適當的基礎邏輯門電路，應用復位法和置位法來實現任意進制計數器的設計。計數器單元的設計靈活度大，實現的方案比較多，可以充分調動學生的主觀能動性。通過這一子項目的訓練使學生掌握任意進制計數器設計的基本原理，掌握時序邏輯電路的分析與設計方法。

接下來就是1Hz信號單元設計子項目。該子項目涉及觸發器、脈沖波形的產生與變換以及分頻計數等相關知識。這一子項目要求學生能夠使用32768Hz的晶振、CD4060分頻計數器、觸發器以及其他元器件來設計標準時鐘信號電路。這一子項目的實施重點是使學生掌握分頻計數器和觸發器的使用，讓學生理解計數器的分頻作用，也使學生理解為什么采用晶振電路而不是555計時芯片。同時，還可以給學生布置基于555芯片的1Hz信號生成電路。

最后就是輔助電路子項目的實施，主要是設計校時電路和輔助電源電路。這一子項目主要讓學生掌握利用開關二極管、電阻及電容等元件實現上升沿時鐘脈沖產生的方法。為了便于使用，該實驗平臺采用了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。

通過把上述幾個子項目整合在一起形成一個完整的數字電子鐘項目。筆者在教學過程中，理論知識的講授都是圍繞上述子項目展開。前期通過EDA軟件把整個數字電子鐘項目進行仿真并整合，使學生充分理解數字電子鐘的原理，然后在筆者所開發的硬件電路板上進行實際的硬件焊接。圖3是學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，這樣防止學生焊接操作不當造成的芯片損壞。通過這一項目的實訓，學生既掌握了理論，又提升了實際的動手能力，而且完成電路焊接后學生很有成就感，對這門課的學習產生了濃厚的興趣。

3 結 語

數字電子技術課程的項目實訓教學方法是一種基于建構主義學習理論的一種教學模式。在具體的教學實施過程中要注重有效地激發學生學習熱情，突出理論與實踐緊密結合，引導學生在分析解決問題過程中不死板、不循規蹈矩，勇于創新。通過幾年的教學實踐與反思，項目實訓教學方法既鍛煉了學生思考問題的能力，又通過項目導向挖掘學生的內在學習動力，培養了實踐能力。

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（編輯：郭田珍）