虛擬項(xiàng)目教學(xué)在數(shù)字電子技術(shù)課程中的應(yīng)用

王 海

（安徽經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 信息工程系，安徽 合肥 230051）

1 引言

數(shù)字電子技術(shù)是高校電類相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，工程實(shí)踐性強(qiáng)，教學(xué)難度大，傳統(tǒng)的教學(xué)方法學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足.國(guó)內(nèi)許多教師在教學(xué)方法上進(jìn)行了大量的研究和改革，取得了許多研究成果，歸納起來主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：一，在理論教學(xué)中引入仿真軟件，利用事先做好的電路文件在課堂上進(jìn)行仿真演示；二，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)引入仿真軟件，利用仿真軟件解決實(shí)驗(yàn)器材不足的問題；三，設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)物制作，達(dá)到項(xiàng)目教學(xué)的目的.但限于客觀條件的束縛，要么效果不明顯，要么實(shí)現(xiàn)困難.本文擬采用虛擬項(xiàng)目教學(xué)的方式來解決以上問題，通過一個(gè)學(xué)期的實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果.

虛擬項(xiàng)目教學(xué)是一種用仿真軟件實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的項(xiàng)目過程的教學(xué)方法.首先要求教師設(shè)計(jì)出符合教學(xué)大綱且難度中等的項(xiàng)目，然后在教師的指導(dǎo)下要求學(xué)生制定項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃，完成整個(gè)項(xiàng)目.教師通過整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施過程充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，達(dá)到理論和實(shí)踐相結(jié)合，提升學(xué)生綜合能力的目的.

本文采用的仿真軟件是Multisim10.Multisim10是美國(guó)NI(National Instruments)公司開發(fā)的EWB(Electronics Workbench)仿真軟件.該軟件配有豐富的元器件數(shù)據(jù)庫(kù)和種類齊全的虛擬測(cè)試儀器儀表，同時(shí)提供了較為詳細(xì)的電路分析功能，適合學(xué)生進(jìn)行脫離實(shí)驗(yàn)箱束縛進(jìn)行項(xiàng)目創(chuàng)新，鍛煉獨(dú)立思考能力與創(chuàng)新能力.

2 虛擬項(xiàng)目的構(gòu)建

虛擬項(xiàng)目構(gòu)建的原則是，設(shè)計(jì)的虛擬項(xiàng)目應(yīng)覆蓋該課程大部分的知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)，同時(shí)能進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展.具體操作時(shí)，要求學(xué)生以小組為單位，共同制定項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃，分工協(xié)作完成整個(gè)項(xiàng)目.學(xué)生通過實(shí)施項(xiàng)目達(dá)到加深課程中關(guān)于該項(xiàng)目相關(guān)知識(shí)點(diǎn)、技能點(diǎn)的理解，并感受這些知識(shí)和技能應(yīng)用到實(shí)踐中的過程，真正達(dá)到學(xué)以致用的目的.

根據(jù)以上原則，可以將數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)為4類12個(gè)子項(xiàng)目，如表1所示.

教師在教學(xué)過程中，可以根據(jù)具體情況對(duì)項(xiàng)目具體內(nèi)容進(jìn)行增減.

3 實(shí)例驗(yàn)證

本文以數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)為例介紹虛擬項(xiàng)目教學(xué)在數(shù)字電子技術(shù)課程中的應(yīng)用.虛擬項(xiàng)目教學(xué)在具體操作時(shí)，可以分三個(gè)階段進(jìn)行.具體如下：

3.1 項(xiàng)目準(zhǔn)備階段

該階段教師的主要工作是根據(jù)課程能力要求設(shè)計(jì)出符合大綱的項(xiàng)目，結(jié)合該項(xiàng)目介紹相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，并給出項(xiàng)目的具體參數(shù)和不同的層次要求；學(xué)生的主要工作是根據(jù)項(xiàng)目的具體參數(shù)結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容通過查找相關(guān)資料設(shè)計(jì)出符合要求的具體電路.

數(shù)字時(shí)鐘是用數(shù)碼顯示的一種現(xiàn)代計(jì)時(shí)器，具有走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀的特點(diǎn).該項(xiàng)目具體的功能要求如下：

表1 數(shù)字電子技術(shù)課程虛擬項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

（1）設(shè)計(jì)一個(gè)具有時(shí)、分、秒的十進(jìn)制數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)器.

（2）具有手動(dòng)校時(shí)、校分的功能.

（3）通過開關(guān)能實(shí)現(xiàn)小時(shí)的十二進(jìn)制和二十四進(jìn)制轉(zhuǎn)換.

結(jié)合以上參數(shù)要求，可以對(duì)數(shù)字時(shí)鐘電路進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，具體原理框圖如圖1.

圖1 時(shí)鐘電路的原理框圖

3.2 項(xiàng)目實(shí)施階段

該階段要求教師隨時(shí)掌控項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)度，結(jié)合學(xué)生的具體掌握程度在不改變項(xiàng)目主體內(nèi)容的情況下適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)具體要求；學(xué)生則根據(jù)之前的設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真測(cè)試.數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)項(xiàng)目主要可以分解成振蕩分頻電路設(shè)計(jì)，計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)，校時(shí)電路設(shè)計(jì)三個(gè)子項(xiàng)目.在該項(xiàng)目的具體實(shí)施中采用層次電路設(shè)計(jì)法，這里按三個(gè)子項(xiàng)目進(jìn)行從下而上的方法.

3.2.1 振蕩分頻電路設(shè)計(jì)

該電路的主要功能是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)，該電路由一個(gè)555定時(shí)器和三個(gè)74160芯片構(gòu)成，具體電路如圖2所示，其仿真結(jié)果如圖3所示.在仿真正確后要求學(xué)生將電路更改成子電路的形式.

圖2 秒脈沖產(chǎn)生電路

圖3 千分頻秒脈沖仿真波形

3.2.2 計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)

由圖1可以知道，整個(gè)計(jì)時(shí)電路包含秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器和時(shí)計(jì)數(shù)器三者組成.秒脈沖信號(hào)經(jīng)過6級(jí)計(jì)數(shù)器，分別得到秒個(gè)位、秒十位、分個(gè)位、分十位、時(shí)個(gè)位、時(shí)十位的計(jì)時(shí).顯示6位的“時(shí)”、“分”、“秒”需要6片中規(guī)模的計(jì)數(shù)器.其中，秒和分計(jì)數(shù)器是60進(jìn)制，時(shí)計(jì)數(shù)器是24/12進(jìn)制，選取74160芯片來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)方法采用反饋清零法.具體電路原理圖如圖4和圖5所示.仿真正確后將其更改為子電路形式.

圖4 60進(jìn)制計(jì)數(shù)顯示電路

圖5 24/12進(jìn)制計(jì)數(shù)顯示電路

3.2.3 校時(shí)電路設(shè)計(jì)

校時(shí)、校分電路應(yīng)具有預(yù)置小時(shí)、預(yù)置分、等待啟動(dòng)、計(jì)時(shí)等功能，在設(shè)計(jì)電路時(shí)既要方便可靠的實(shí)現(xiàn)校時(shí)校分功能，又不能影響時(shí)鐘的正常計(jì)時(shí)，通常采用邏輯門切換的方式解決.具體電路原理圖如圖6所示.在Q=1時(shí)，預(yù)置信號(hào)輸入，Q=0時(shí)，分進(jìn)位信號(hào)輸入.

圖6 校時(shí)電路原理示意圖

3.3 項(xiàng)目總結(jié)評(píng)估階段

該階段要求教師根據(jù)學(xué)生仿真情況給出合理的評(píng)判；要求學(xué)生總結(jié)項(xiàng)目的收獲和體會(huì).如某學(xué)生設(shè)計(jì)的最終電路如圖7所示，該電路將校時(shí)電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)校時(shí)功能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

圖7 數(shù)字時(shí)鐘電路圖

4 結(jié)束語

通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)利用Multisim 10平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字電子技術(shù)課程虛擬項(xiàng)目教學(xué)的方法易于實(shí)現(xiàn)，不僅解決了工程實(shí)踐性強(qiáng)的難學(xué)課程問題，還解決了大多數(shù)院校硬件投入不足的問題.經(jīng)過一學(xué)期的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)在學(xué)校數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和參與度都有了顯著提高，取得較好的教學(xué)效果.

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