數字電子技術課程教具的研究與設計

劉　艷, 李　源, 江　冰, 張秀芳

(河海大學 物聯網工程學院, 江蘇 常州　213000)

?

數字電子技術課程教具的研究與設計

劉艷, 李源, 江冰, 張秀芳

(河海大學 物聯網工程學院, 江蘇 常州213000)

在深入研究了教具對教學效果的作用的基礎上,課題組結合江蘇高校品牌專業建設工程和國家“卓越計劃”項目,開展了數字電子技術課程教具的研究與設計。針對課程中的邏輯門電路、組合邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路等基礎內容,設計了一種以可控計數器為核心的教具。該教具與數字電子技術課程聯系緊密、易于實施、操作簡單,為課堂教學提供了直觀、便捷的教學演示,可激發學生對課程學習的興趣,加深對理論知識的理解,培養學生動手的積極性,提高理論與實驗課程的教學效果。

數字電子技術； 教具； 計數器； 教學效果

數字電路和數字電子技術在飛速發展的信息時代中,承擔著數字化信息的采集、存儲、處理和傳輸等功能。“數字電子技術”課程是高等學校電氣、電子信息、自動化、機電和計算機類專業的必修基礎課程。該課程理論性與系統性、工程性與實踐性兼具,教學實施與研究人員不斷地在教學實踐中總結經驗并改進其教學方式,以期獲取最佳的教學效果[1-10]。

課題組結合江蘇高校品牌專業建設工程和國家“卓越計劃”項目,開展了“以學生為本”的一系列教學改革[11]。結合翻轉課堂教學模式,為激發學生對課程學習的興趣,加深對理論知識的理解,培養學生動手的積極性,提高理論與實驗課程的教學效果,課題組針對數字電子技術課程中的基礎內容(邏輯門電路、組合邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路等),設計了一種以可控計數器為核心的數字電子技術課程教具。

1　可控計數器的設計

數字電子技術課程在理論講授中,各知識點前后銜接,實驗過程中各電路相對獨立。將各單元電路系統地連接在一起,是本教具的設計目標。在參考康華光老師主編的電子技術基礎教材[12]中邏輯門電路、觸發器、組合邏輯電路、時序邏輯電路等內容的基礎上,結合李士雄[13]、瞿安連[14]等人的教學參考書中電子技術相關內容,設計出了一個可控計數器為核心的數字電子技術教具,見圖1。

圖1　可控計數器

可控計數器的設計考慮了課程教學中主要的知識點,包含計數、控制、顯示等功能。計數功能主要對應時序邏輯電路的分析與設計部分的內容,包括時序電路的分類、時序電路的設計和相應集成電路的使用；控制功能對應組合邏輯電路部分的內容,包括組合邏輯電路的分析與設計方法；顯示功能對應顯示及譯碼電路的設計。

在圖1所示的可控計數器中,計數器的核心為二進制計數芯片,其預置數端可在0000～1111之間任意選擇,本文將輸入0110(十進制數字6)的預置數作為減計數器的初始數值以示例說明。與計數器連接的是控制電路,核心為雙四選一數據選擇器,外接撥動開關來控制計數芯片在清零、計數、置數3種工作方式間的轉換。脈沖輸入設置為1 Hz,即計數間隔為1 s。譯碼顯示電路由七段譯碼顯示器與共陰數碼管構成,負責將四位計數輸出以十進制數字實時顯示。

2　教具演示功能的設計

基于可控計數器的教具除計數器功能外,還有密碼鎖、搶答器、交通燈、時鐘等外圍電路,4個外圍電路相互獨立,在功能演示時可自由切換。

2.1計數器—密碼鎖功能

圖2所示的計數器—密碼鎖原理電路中,密碼鎖電路模塊包括密碼輸入、計時電路、密碼確認、開鎖及報警4部分。可控計數器裝置控制密碼鎖的開鎖信號,密碼鎖在規定時間內輸入正確密碼才開啟。計數器—密碼鎖功能演示時,首先切換可控計數器的撥動開關,使其工作在清零方式,外部脈沖輸入計數器產生二進制代碼代表計時的時間間隔10 s(二進制1010)并在數碼管上顯示,同時經由與非門構成的邏輯電路輸出使能信號,表示密碼鎖在當前時間內可以開啟。密碼輸入為四位撥動開關,輸入二進制代碼為0000～1111。密碼確認電路根據事先設置的四位二進制代碼,用與非門電路構成,若密碼輸入正確,且在規定時間內輸入,密碼確認電路輸出為1,否則為0；開鎖及報警電路由發光二極管和蜂鳴器構成,若密碼確認電路輸出為1,發光管亮,否則蜂鳴器響。

圖2　計數器-密碼鎖

2.2計數器—搶答器功能

圖3所示的計數器—搶答器原理電路中,搶答器電路為4人搶答器,主芯片為D觸發器,包含搶答輸入、主持人開關、顯示部分。可控計數器產生搶答倒計時,相當于主持人開關,倒計至0時搶答輸入方為有效。計數器—搶答器功能演示時,首先切換撥動開關將計數裝置切換至置數方式,計數器開始倒計時,至0時開始搶答。搶答時每個搶答按鍵對應一盞指示燈,按下按鍵后信號輸入觸發器,隨即被鎖存,所有按鍵不可再次搶答。只有最先按下搶答鍵對應的指示燈亮,表示搶答成功。搶答成功后所有觸發器進入鎖存狀態,直到下一次搶答復位。

圖3　計數器-搶答器

2.3計數器—交通燈功能

圖4所示的計數器—交通燈原理電路中,交通燈電路由與非門組成,A、B兩路紅綠燈輪流切換,分別保持5 s。可控計數器產生交通燈切換間隔的計時,控制交通燈的定時切換。計數器—交通燈功能演示時,首先控制撥動開關將計數裝置切換到置數方式。計數器從十進制10倒計數至5時,A方向暢通,A路紅燈、B路綠燈輸入低電平,A路綠燈、B路紅燈輸入高電平；從十進制5倒計數至0時,B方向暢通,B路紅燈、A路綠燈輸入低電平,B路綠燈、A路紅燈輸入高電平。

圖4　計數器-交通燈

2.4計數器—計時器功能

圖5所示的計數器—計時器原理電路中,計數器控制蜂鳴器的鳴響間隔,達到計時提醒的功能。計數器—計時器功能演示時,首先控制撥動開關將計數裝置切換至清零方式,外部脈沖輸入,計數器裝置通過四位計數輸出端每10 s輸出控制信號,使蜂鳴器鳴響1 s后停止。

圖5　計數器-計時器

3　結語

以可控計數器為核心的數字電子技術課程教具基于數字電子技術課程教學設計,包含了課程的基礎內容,并將各知識點連接在一起,形成了一套教學演示裝置。這種與課程聯系緊密、易于實施、操作簡單的教具,改變了傳統的理論教學方式,為教師結合實物進行直觀、便捷的教學演示提供了保障。生動的教學演示結合教師的語言描述,可激發學生對課程學習的興趣,加深對理論知識的理解,培養學生動手的積極性,提高理論與實驗課程的教學效果。

References)

[1] 溫梅,溫禹.信息技術與課程整合的策略研究[J].中國成人教育,2015(11):126-128.

[2] 邢曉敏,李貽濤,張光烈.“全程參與式”教學方法的探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2014,33(10):174-175,206.

[3] 楊穎.以學生為本創新電子技術實驗課教學[J].實驗室研究與探索,2010,29(6):80-83.

[4] 楊光義,王雪迪,金偉正,等.變容二極管調頻電路實驗的創新與改進[J].實驗技術與管理,2015,32(7):41-45.

[5] 閆永亮,韓萬祥,閻俊,等.電子技術設計性實驗裝置研制[J].實驗技術與管理,2015,23(11):73-74.

[6] 嚴世勝,鐘承堯,王列峰.新型模擬電子技術實驗裝置的研制[J].海南師范大學學報:自然科學版,2012,25(3):283-85.

[7] 王毅.民國時期電化教具創新研究的啟示[J].中國教育學刊,2015(增刊1):393-394.

[8] 朱健民,吳翊,李建平,等.從教具談大學數學教學方法改革[J].中國大學教學,2010(3):55-57.

[9] 朱名強.基于自制教學裝置或教具的教學改革研究[J].北京城市學院學報,2014(5):55-58,99.

[10] 袁麗,張寶運.人機自然交互支持的3D虛擬教具設計[J].系統仿真學報,2012,24(9):1973-1979.

[11] 朱金秀,范新南,朱昌平,等.電氣信息類人才實踐創新能力培養體系[J].實驗室研究與探索,2011,30(10):129-131.

[12] 康華光.電子技術基礎 數字部分 [M].6版.北京:高等教育出版社,2013.

[13] 李士雄,丁康源.數字集成電子技術教程[M].北京:高等教育出版社,1993.

[14] 瞿安連.應用電子技術[M].北京:高等教育出版社,2003.

Research and design of teaching tools of Digital Electronic Technology course

Liu Yan, Li Yuan, Jiang Bing, Zhang Xiufang

(College of Internet of Things Engineering,Hohai University,Changzhou 213000,China)

Based on the research of teaching effectiveness with teaching tools,the research group studies and designs a teaching tool of Digital Electronic Technology course. It is based on Jiangsu higher education construction of flagship specialty and the MOE Outstanding Engineers experimental program. The teaching tool with a controlled counter as the core refers the fundamental content of course including logic gates,combinational logic circuits,triggers,and sequential logical circuits. The tool closely combines the Digital Electronic Technology course. It is easy to implement and operate ,and also provides a visual and convenient demonstration for teaching. The teaching combined with teaching tool can stimulate students’ interest in learning courses,strengthen understanding of theoretical knowledge,cultivate students’ initiative,and improve teaching effectiveness of the theoretical and experimental courses.

digital electronic technology; teaching tools ; counter; teaching effectiveness

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.054

2015-12-03

江蘇高校品牌專業建設工程一期項目(PPZY2015B141)；河海大學高等教育科學研究2015年度立項課題(20151212)；河海大學第一期“翻轉課堂”立項實踐項目(河海教務〔2014〕56號)

劉艷(1984—),女,重慶江津,碩士,實驗師,研究方向為電子技術、信息獲取與處理.

E-mail：liuyan_s@163.com

G642.0

A

1002-4956(2016)6-0210-03