基于探究式教學(xué)的“數(shù)字電子技術(shù)”實驗案例設(shè)計

王革思, 周 天, 潘大鵬, 高明生, 李 楊

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 國家級電工電子實驗教學(xué)示范中心, 黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

實驗課程改革

基于探究式教學(xué)的“數(shù)字電子技術(shù)”實驗案例設(shè)計

王革思1, 周 天2, 潘大鵬1, 高明生2, 李 楊2

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 國家級電工電子實驗教學(xué)示范中心, 黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

依據(jù)探究式教學(xué)的內(nèi)涵,提出了“數(shù)字電子技術(shù)”實驗教學(xué)的改革思路，以學(xué)生為中心,從提高理論知識應(yīng)用水平、增強工程實踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力方面入手,研發(fā)了巡回檢測報警器、順序脈沖信號發(fā)生器等大量的探究式實驗教學(xué)案例。這些探究式教學(xué)資源既能用于課堂教學(xué),又能用于課下自主學(xué)習，能夠極大地激發(fā)學(xué)生的積極性、想象力和創(chuàng)造力。

探究式教學(xué)； 巡回檢測報警器； 順序脈沖信號發(fā)生器

“數(shù)字電子技術(shù)”是國內(nèi)高等學(xué)校電類專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程,具有較強的理論性、實踐性和工程性,對培養(yǎng)學(xué)生基本素質(zhì)、實踐能力和創(chuàng)新能力有著十分重要的作用。近年來,我們認真貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》,圍繞電子信息技術(shù)人才的培養(yǎng),持續(xù)、深化地進行實驗教學(xué)改革和創(chuàng)新。通過引入探究式教學(xué)方法和先進的EDA技術(shù),將學(xué)生實踐技能培養(yǎng)與理論知識的重點及難點相互融合對接,突出實踐創(chuàng)新教學(xué),激發(fā)學(xué)生實驗興趣[1],發(fā)掘?qū)W生實驗探究能力。

1 探究式教學(xué)內(nèi)涵及思路

探究式教學(xué)內(nèi)涵主要體現(xiàn)在3個方面:一是從科學(xué)探究的視角看,探究式教學(xué)是一種在學(xué)校環(huán)境下模擬性的科學(xué)研究活動,旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì),特別是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造精神和創(chuàng)新能力；二是從教的視角看,探究式教學(xué)是一種以“探究”為主線的教學(xué)活動,把科學(xué)領(lǐng)域中的探究活動引入教學(xué),使學(xué)生在知識獲得的過程中經(jīng)歷類似科學(xué)家的探究過程,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究探究能力；三是從學(xué)的視角看,探究式教學(xué)是一種積極的學(xué)習過程,強調(diào)學(xué)生探索新知識的經(jīng)歷和體驗,通過學(xué)生積極主動地探究去構(gòu)建知識體系,在這個過程中學(xué)生掌握研究問題所必備的探究能力,掌握解決問題的方法,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和形成價值觀。

“數(shù)字電子技術(shù)”探究式實驗教學(xué)是以掌握數(shù)字邏輯電路理論知識為基礎(chǔ),以解決工程實際問題為目標,促進學(xué)生形成主動思考、自我創(chuàng)新的意識[2]。我們將傳統(tǒng)的以教師為中心、以課堂為中心、以理論教學(xué)為中心,轉(zhuǎn)變成以學(xué)生為中心、以實踐為中心、以培養(yǎng)能力為中心[3]。按照學(xué)生“認識、理解、消化、實踐、提升”的循序漸進認知過程,以解決工程實際問題為線索,有意識地創(chuàng)設(shè)問題情境[4],把理論知識和實驗技能巧妙地隱含在實驗項目中[5],既體現(xiàn)了知識的綜合性與創(chuàng)新性,又體現(xiàn)了能力與素質(zhì)培養(yǎng)。在教師的指導(dǎo)下,讓學(xué)生獨立自主學(xué)習和合作討論學(xué)習,通過探索、研究途徑來獲取知識。學(xué)生則根據(jù)已有的知識、技能、愛好以及創(chuàng)新意識,進行具體實驗項目的論證和設(shè)計,通過以“做”帶“學(xué)”、以“學(xué)”促“做”,激勵自主科技創(chuàng)新學(xué)習,充分發(fā)揮自身探究能力特長[6],創(chuàng)造性地解決教師給出的工程實際問題。此外,還需要提供豐富的教學(xué)資源以及良好的開放性自主學(xué)習環(huán)境,全方位促進學(xué)生培養(yǎng)[7]。

2 巡回檢測報警器設(shè)計

2.1 教學(xué)設(shè)計

報警器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種安防設(shè)備,在機關(guān)團體、工礦企業(yè)、樓堂館所以及家庭住所中到處可見。在“數(shù)字電子技術(shù)”這門課程中,計數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇器、顯示譯碼器等都是學(xué)習和掌握的重點知識。為了讓學(xué)生能夠全面掌握和綜合應(yīng)用這些知識,我們通過探究式教學(xué)方法讓學(xué)生自行設(shè)計一個報警器。

具體做法:實驗的入口是元器件引導(dǎo),中間實踐環(huán)節(jié)是以理論課知識及學(xué)生平時實踐經(jīng)驗積累為基礎(chǔ)[8],出口是實驗結(jié)果。教師事先給出題目、元器件范圍及功能要求,從報警器功能上引導(dǎo)學(xué)生探究解決各種問題的途徑和方法。首先,教師明確報警器需要對8路報警信號進行依次檢測,這樣學(xué)生就可以確定報警電路共包含8個工作狀態(tài),很自然地聯(lián)想到計數(shù)器具有產(chǎn)生多個電路狀態(tài)功能；其次,教師說明報警器每次只能對1路報警信號進行檢測,并引導(dǎo)學(xué)生回憶學(xué)過的知識,學(xué)生能夠很快地想到數(shù)據(jù)選擇器具有這樣功能；最后,需要顯示每路通道的編號,學(xué)生則會結(jié)合自己掌握的理論知識和實踐經(jīng)驗,選用顯示譯碼器和LED數(shù)碼管實現(xiàn)該功能。

2.2 電路設(shè)計

巡回檢測報警器是由4部分電路以及LED數(shù)碼管組成,如圖1所示。

圖1 巡回檢測報警器仿真電路

圖中,與非門U1A和U1B(7400N)、電阻R1和R2以及按鍵K1組成單個脈沖產(chǎn)生電路,每按動一次K1,就會輸出一個脈沖；計數(shù)器U2(74161N)接成了一個八進制加法計數(shù)器,這里稱為電路狀態(tài)產(chǎn)生電路,在脈沖信號作用下,其依次輸出000—111共8個BCD碼,表示報警器電路工作時的8個狀態(tài)；數(shù)據(jù)選擇器U3(74151N)、開關(guān)S0—S7組成報警通道電路,用S0—S7分別代替8個紅外(或煙感、溫感)等開關(guān)量輸出的傳感器,根據(jù)U2的輸出狀態(tài),可選擇相應(yīng)通道,以檢測每個傳感器是否有報警信號輸出(高電平有效)；顯示譯碼器U4(7448N)用來對U2輸出狀態(tài)進行譯碼,以便在LED數(shù)碼管上顯示通道號0—7。如果再增加一個時鐘電路,就可實現(xiàn)自動檢測功能。

3 時間可調(diào)順序脈沖信號發(fā)生器設(shè)計

3.1 教學(xué)設(shè)計

在一些設(shè)備產(chǎn)品中,需要按照事先規(guī)定的順序進行一系列的操作,這就要求其控制系統(tǒng)輸出一組在時間上有一定先后順序的脈沖信號,以形成所需要的各種控制信號。在家用洗衣機、交通信號機等眾多設(shè)備產(chǎn)品中,順序脈沖信號發(fā)生器應(yīng)用得非常廣泛。該類實驗屬于課程設(shè)計范疇,我們采用了自上而下的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法。這種設(shè)計方法操作規(guī)范,循序漸進,能夠?qū)嶒灲虒W(xué)與解決實際工程問題系統(tǒng)地融合成一體[9]。讓學(xué)生從整個系統(tǒng)功能出發(fā),首先進行最上層的系統(tǒng)總體設(shè)計,包括設(shè)計任務(wù)和要求、功能及技術(shù)指標等；然后逐級向下將系統(tǒng)分成幾個功能模塊,再將每個功能模塊劃分成若干個子模塊,包括系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)工作原理描述等，最后完成每個功能模塊的具體電路設(shè)計。

時間可調(diào)順序脈沖信號發(fā)生器技術(shù)指標如下:

(1) 輸出脈沖路數(shù):3路,低電平有效；

(2) 單路脈沖時間設(shè)置范圍:0 s ～ 99 s；

(3) 控制方式:順序、自動輸出。

根據(jù)技術(shù)指標要求,就可以初步確定時間可調(diào)順序脈沖發(fā)生器應(yīng)該包括順序脈沖信號、時間設(shè)置、步進信號以及時鐘信號等功能模塊。

3.2 電路設(shè)計

時間可調(diào)順序脈沖信號發(fā)生器電路,如圖2所示。圖中示波器用來顯示3路順序脈沖波形。

(1) 順序脈沖電路。包括加法計數(shù)器U7(74HC160)、地址譯碼器U8(74HC138)。U7接成一個三進制加法計數(shù)器,在U6B輸出的步進信號作用下,其QB、QA端依次輸出00—10。U8再對U7的輸出進行譯碼,使其Y0、Y1、Y2端分別輸出3路順序脈沖信號(低電平有效)。

(2) 時間設(shè)置電路。包括定時器電路和時間選擇電路。定時器電路由加法計數(shù)器U1和U2(74HC160)、二—十進制譯碼器U3和U4(74HC42)組成。U1和U2接成一個100進制加法計數(shù)器,通過對1 Hz基準時鐘信號進行計數(shù),實現(xiàn) 0 s—99 s 的時間計時。U3對U1輸出狀態(tài)(0000—1001)譯碼,產(chǎn)生個位秒信號。U4對U2輸出狀態(tài)(0000—1001)譯碼,產(chǎn)生十位秒信號。時間選擇電路用來調(diào)整3路順序脈沖信號時間長度,可選用波段開關(guān)或計數(shù)器+數(shù)據(jù)選擇器進行設(shè)計,圖2中未給此部分電路。

(3) 步進信號電路。包括與非門U5A、U5B、U5C和U6A、U6B。此電路輸入信號分為2路,一路是順序脈沖信號,另一路是定時信號(圖中接成10 s、20 s和30 s),據(jù)此產(chǎn)生步進信號,以控制順序脈沖電路工作順序。此電路還能產(chǎn)生定時器清零信號。

(4) 時鐘信號電路。選用1 Hz時鐘電壓源,也可自行設(shè)計此電路。

圖2 時間可調(diào)順序脈沖信號發(fā)生器仿真電路

4 結(jié)語

通過引入探究式教學(xué)方法,極大地激發(fā)出學(xué)生的積極性、想象力和創(chuàng)造力[10],學(xué)生實驗項目設(shè)計方案呈現(xiàn)出靈活性、多樣化。教師從提高學(xué)生理論知識應(yīng)用水平、增強學(xué)生工程實踐能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力方面入手,目前已經(jīng)研發(fā)出數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識應(yīng)用的4個實驗單元以及數(shù)字應(yīng)用系統(tǒng)的4個實驗單元,共計48個探究式實驗教學(xué)案例[11]。課上教師可以通過這些教學(xué)案例的講解、分析、仿真演示,啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生如何解決工程實際問題,開闊學(xué)生視野、啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維[12]；課下學(xué)生可以進行實驗前的預(yù)學(xué)、預(yù)做、預(yù)練,滿足不同學(xué)生發(fā)展方向的需求。同時還吸引學(xué)生參加科技創(chuàng)新活動的熱情,為學(xué)生科技創(chuàng)新交流創(chuàng)造了條件。近3年,學(xué)生參與教師科研和教研項目26項,承擔各級大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃17項,科技創(chuàng)新活動獲得國家級和省部級獎224項，每年還有20余名學(xué)生通過科技創(chuàng)新活動所取得的優(yōu)異成績被保送研究生。

References)

[1] 王爾申,龐濤,李鵬,等.Multisim和Proteus仿真在數(shù)字電路課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(3):78-81.

[2] 呂小師，王輝，王有凱，等.基于創(chuàng)新教育的高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案:以土木工程專業(yè)為例[J].價值工程,2011(21):180-181.

[3] 余國江,姜海,徐滟.卓越工程師培養(yǎng)的德國經(jīng)驗借鑒研究[J].高教探索,2015(2):66-69.

[4] 楊春玲,朱敏,張巖.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)研究性教學(xué)方法的探索與實踐[J].中國大學(xué)教學(xué), 2014 (2): 58-60.

[5] 李旭,張為公.基于科研項目的數(shù)字電路創(chuàng)新型實驗教學(xué)改革[J].實驗室研究與探索, 2015,34(1):168-171.

[6] 朱泓,李志義,劉志軍.高等工程教育改革與卓越工程師培養(yǎng)的探索與實踐[J].高等工程教育研究, 2013 (6):68-71.

[7] 韋新榮,陳家全,楊軻,等.加強開放實驗平臺建設(shè) 全面提升實驗教學(xué)質(zhì)量[J].新疆醫(yī)科大學(xué)學(xué)報,2008(1):114.

[8] 王革思.探究式教學(xué)在數(shù)字電子技術(shù)實驗課中的應(yīng)用研究[J].教育探索, 2014(1):58-59.

[9] 鄧春,李軍.電力電子技術(shù)實驗教學(xué)模式探索與實踐[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2015,13(5):92-96.

[10] 王琢,蔡洪鍘.以項目為導(dǎo)向的大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)[J].中國電力教育,2013(1):26-27.

[11] 王革思.電子電路實驗教學(xué)資源建設(shè)研究[J].實驗技術(shù)與管理,2015,32(1):167-170.

[12] 李琰,吳建強,齊鳳艷.開放與自主學(xué)習模式下的實驗教學(xué)體系[J].實驗室研究與探索, 2012,31(1):134-137.

Experimental case design of digital electronic technology based on inquiry teaching

Wang Gesi1, Zhou Tian2, Pan Dapeng1, Gao Mingsheng2, Li Yang2

(1. National Electrical and Electronics Experiment Teaching Demonstration Center, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

According to the connotation of inquiry teaching, this paper presents the experimental teaching reform ideas of Digital Electronic Technology. Taking the student as the center and starting from improving the application level of theoretical knowledge, strengthening engineering practical ability, cultivating innovative consciousness and innovative ability, a large number of exploratory experimental teaching cases have been proposed, such as circuit detection alarm and sequential pulse signal generator. The exploratory experimental teaching cases can be used in classroom teaching and independent learning. Through teaching orientation, students’ enthusiasm, imagination and creativity can be remarkably stimulated.

inquiry teaching； circuit detection alarm； sequential pulse signal generator

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.043

2016-05-16

王革思(1960—),男,黑龍江哈爾濱,本科,高級工程師,研究方向為實驗教學(xué)與實驗室管理

E-mail：wanggesi@hrbeu.edu.cn

周天(1980—),男,黑龍江哈爾濱,博士,教授,研究方向為水聲目標探測、實驗教學(xué)與實驗室管理.

E-mail：zhoutian@hrbeu.edu.cn

G642.423

A

1002-4956(2017)2-0166-04