新工科背景下混合式創(chuàng)新教學(xué)在數(shù)字電子課程中的應(yīng)用探索

董玉冰，李明晶

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

新工科背景下混合式創(chuàng)新教學(xué)在數(shù)字電子課程中的應(yīng)用探索

董玉冰，李明晶

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

在新工科的背景下，詳盡地詮釋了新工科的5個(gè)新的內(nèi)涵，為了更好地進(jìn)行創(chuàng)新工程教育，在數(shù)字電子技術(shù)課程中提出了混合式創(chuàng)新教學(xué)方法。此教學(xué)方法采用Multisim軟件進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)、仿真和制作，為學(xué)生的工程實(shí)踐打下基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，此教學(xué)方法在數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)中充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新性，適合新工科背景下創(chuàng)新工程教育，對(duì)培養(yǎng)優(yōu)秀的工程創(chuàng)新人才具有重要的意義。

新工科；數(shù)字電子技術(shù)；Multisim仿真軟件；項(xiàng)目情境

隨著教育部《教育部高等教育司關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》的發(fā)布，各地高校開(kāi)展了新工科的研究實(shí)踐活動(dòng)，深化工程教育改革，推進(jìn)新工科的建設(shè)與發(fā)展。在“復(fù)旦共識(shí)”、“天大行動(dòng)”、“北京指南”后，全國(guó)各個(gè)高校也開(kāi)啟了新工科的篇章。新工科的5個(gè)新，即工程教育的新理念、學(xué)科專(zhuān)業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類(lèi)發(fā)展的新體系。在5個(gè)新的指導(dǎo)下，數(shù)字電子技術(shù)課程現(xiàn)有的教學(xué)方法已不能適應(yīng)新工科背景下創(chuàng)新工程教育的要求。在此背景下，本文提出了Multisim軟件仿真技術(shù)和項(xiàng)目情境教學(xué)法相融合的混合式創(chuàng)新教學(xué)方法，以推進(jìn)新工科背景下創(chuàng)新工程教育對(duì)工程人才的培養(yǎng)。

1 項(xiàng)目情境教學(xué)法

項(xiàng)目教學(xué)法起源于美國(guó)，盛行于德國(guó)。項(xiàng)目教學(xué)法就是在教師對(duì)課程內(nèi)容應(yīng)用場(chǎng)合的劃分下，以做項(xiàng)目的形式，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理論相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。然后，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，由學(xué)生進(jìn)行理論知識(shí)的匯總、方案的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目制作及最終評(píng)價(jià)。

情境教學(xué)法是指在教學(xué)過(guò)程中，教師根據(jù)學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)、興趣愛(ài)好等有目的地引入或創(chuàng)設(shè)具有一定情緒色彩的、以形象為主體的生動(dòng)具體的情境，以引起學(xué)生提高參與教學(xué)的熱情。

項(xiàng)目情境教學(xué)法，是項(xiàng)目教學(xué)法和情境教學(xué)法相融合，是通過(guò)“項(xiàng)目”來(lái)設(shè)置“模擬情境”開(kāi)展課程教學(xué)，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)。在教學(xué)中采用基于問(wèn)題學(xué)習(xí)，基于資源學(xué)習(xí)的項(xiàng)目情境教學(xué)方法，使學(xué)生“從做中學(xué)”。為此，要以項(xiàng)目為載體重構(gòu)數(shù)字電子技術(shù)課程知識(shí)體系，每個(gè)學(xué)習(xí)情境均是一個(gè)項(xiàng)目完整的工作過(guò)程，又由多個(gè)子項(xiàng)目構(gòu)成，子項(xiàng)目也是一個(gè)完整和相對(duì)獨(dú)立的工作過(guò)程。學(xué)習(xí)情境的最后一個(gè)子項(xiàng)目又是一個(gè)涵蓋前幾個(gè)子項(xiàng)目?jī)?nèi)容的綜合性項(xiàng)目。每個(gè)項(xiàng)目及子項(xiàng)目之間由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由低級(jí)到高級(jí)、由單一到綜合。

2 Multisim可視化教學(xué)法

Multisim是業(yè)界一流的SPICE仿真標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，它是美國(guó)國(guó)家儀器有限公司(NI公司)電路電子教學(xué)解決方案的重要基礎(chǔ),可通過(guò)設(shè)計(jì)、原型開(kāi)發(fā)、電子電路測(cè)試等實(shí)踐操作來(lái)提高學(xué)生的技能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，Multisim軟件可以使原型迭代次數(shù)降低，并能幫助設(shè)計(jì)者及時(shí)、有效地對(duì)印刷電路板(PCB)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。NI公司還開(kāi)發(fā)了為電路、電子等相關(guān)內(nèi)容課程的Multisim軟件教學(xué)版，使學(xué)生能夠在理論、設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試、制作之間進(jìn)行無(wú)縫連接。 不管采用那種形式的教學(xué)模式，Multisim軟件的引入為教學(xué)提供了豐富的資源，突顯了如下優(yōu)勢(shì)：

(1)建立了圖形化和可視化的電子電路理論知識(shí)。電子電路涉及到不同種類(lèi)的元器件、分立電路和品種繁多的集成芯片，枯燥的物理知識(shí)、復(fù)雜和龐大的內(nèi)部原理電路，讓學(xué)生望而止步，無(wú)興趣參與電路的設(shè)計(jì)。而Multisim軟件建立的交互式、圖形化的界面，從而可視化了理論知識(shí)，有利于學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的掌握。對(duì)于教師而言，憑借Multisim軟件強(qiáng)大的元器件庫(kù)和智能連線可使教師快速、容易地進(jìn)行課內(nèi)教學(xué)和課外作業(yè)所需的電路圖的繪制及設(shè)計(jì)。另外，Multisim軟件具有20多種虛擬儀器和多種廠家的實(shí)體儀器，用于可視化電路參數(shù)的調(diào)整對(duì)信號(hào)的影響，例如用虛擬示波器觀察實(shí)時(shí)調(diào)整555定時(shí)器組成多諧振蕩器的電阻阻值或電容容值對(duì)輸出波形的頻率、占空比等參數(shù)的影響。

(2)提供SPICE多種仿真分析，深入剖析電路的狀況。Multisim軟件提供了20種不同的分析方法，包括基本分析方法和高級(jí)分析方法，有助于學(xué)生熟悉電路的基本狀況、性能、測(cè)量和分析電路的各種響應(yīng)。

(3)集成了NI公司硬件教學(xué)平臺(tái)，使仿真和實(shí)踐結(jié)果同現(xiàn)。Multisim軟件與NI 公司的myDAQ和ELVIS硬件平臺(tái)無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)了同一條件下，仿真結(jié)果和實(shí)踐結(jié)果的對(duì)比，更有利于電路設(shè)計(jì)中參數(shù)的選擇和調(diào)整。

(4)加速了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、仿真和制作。學(xué)生在不斷積累工程知識(shí)，承擔(dān)各種設(shè)計(jì)任務(wù)，需要借助不同的設(shè)計(jì)軟件和設(shè)計(jì)工具相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。所有的設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)環(huán)境都是大同小異的，掌握了其中的一種，其余的都會(huì)觸類(lèi)旁通的。Multisim軟件的學(xué)習(xí)有利于學(xué)生對(duì)其他設(shè)計(jì)軟件的掌握。另外，Multisim和Ultiboard軟件的工具是在同一工具鏈中，有助于學(xué)生快速、有效開(kāi)展電路設(shè)計(jì)、仿真和原型開(kāi)發(fā)。

除了以上Multisim軟件在教學(xué)應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)外， Multisim軟件還為數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)提供了邏輯門(mén)、計(jì)數(shù)器和微控制器，以輔助與邏輯代數(shù)相關(guān)的數(shù)字電子內(nèi)容的教學(xué)。為了避免學(xué)習(xí)難懂的編程語(yǔ)法，可通過(guò)把專(zhuān)業(yè)的可編程邏輯器件原理圖，以數(shù)字邏輯門(mén)電路的形式轉(zhuǎn)換成VHDL語(yǔ)言，部署到DIGILENT子公司開(kāi)發(fā)的FPGA硬件上，進(jìn)行數(shù)字電路的相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。因此，在數(shù)字電子技術(shù)課程中引入Multisim軟件，是在項(xiàng)目情景教學(xué)法的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目情景中的子項(xiàng)目和整體項(xiàng)目的電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行調(diào)試和仿真，得到正確、完整的電路，然后進(jìn)行實(shí)際電路的制作。

3 混合式創(chuàng)新教學(xué)方法

采用Multisim軟件仿真技術(shù)和項(xiàng)目情境教學(xué)方法相融合的混合式創(chuàng)新教學(xué)方法，把數(shù)字電子技術(shù)中的教學(xué)過(guò)程分成兩部分。第一部分，以項(xiàng)目為載體，設(shè)置模擬情境，重構(gòu)知識(shí)體系。數(shù)字電子技術(shù)課程內(nèi)容以智力競(jìng)賽搶答器、數(shù)字電子鐘、數(shù)字頻率計(jì)、自動(dòng)售貨機(jī)等項(xiàng)目為載體進(jìn)行重構(gòu)。理論知識(shí)點(diǎn)以項(xiàng)目為依據(jù)進(jìn)行子項(xiàng)目劃分，例如：計(jì)數(shù)電路子項(xiàng)目、譯碼電路子項(xiàng)目、顯示電路子項(xiàng)目等等。第二部分，采用Multisim軟件對(duì)子項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和制作。按照數(shù)字電子技術(shù)課程的知識(shí)體系，引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)Multisim軟件，建立項(xiàng)目電路的設(shè)計(jì)和仿真。例如：項(xiàng)目為設(shè)計(jì)2人搶答器，在此背景下引出本節(jié)課所要講授的知識(shí)點(diǎn)基本RS觸發(fā)器，講授完后利用Multisim軟件設(shè)計(jì)并仿真項(xiàng)目。設(shè)置情境，如果搶答的人多怎么辦，如果需要計(jì)時(shí)搶答怎么辦……學(xué)生由被動(dòng)記憶RS觸發(fā)器電路和真值表轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探索各種觸發(fā)器功能。模擬情境的設(shè)置，使學(xué)生遐想連篇，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中采用混合式創(chuàng)新教學(xué)方法，可以完美地解決數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的如下問(wèn)題：①可以解決理論教學(xué)中，課時(shí)少和內(nèi)容多的矛盾。采用項(xiàng)目式教學(xué)，通過(guò)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的整合，大大節(jié)約了課時(shí)量。②可以減小實(shí)驗(yàn)教學(xué)投入，降低實(shí)驗(yàn)成本。Multisim軟件器件庫(kù)中有常用的大量?jī)x器設(shè)備、元器件、芯片和模塊等，可以開(kāi)展驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，無(wú)需增加實(shí)驗(yàn)器材的投入，也為各種競(jìng)賽和開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)搭建了平臺(tái)。③保證實(shí)驗(yàn)的高真實(shí)性。Multisim軟件仿真技術(shù)的應(yīng)用可以通過(guò)參數(shù)的調(diào)整和環(huán)境參數(shù)(溫度、噪聲等)的設(shè)定，高真實(shí)性地模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。④增加實(shí)驗(yàn)的多樣性。通過(guò)Multisim軟件的平臺(tái)，可以做故障性實(shí)驗(yàn)等，借助其強(qiáng)大分析功能可觀測(cè)到實(shí)際儀器不能測(cè)到和記錄的數(shù)據(jù)、曲線等。

因此，采用項(xiàng)目式教學(xué)，通過(guò)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的整合，縮短理論教學(xué)的課時(shí)。通過(guò)Multisim軟件仿真技術(shù)可進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高真實(shí)性，且靈活、可靠，也為各種競(jìng)賽提供開(kāi)放性的平臺(tái)。Multisim軟件仿真技術(shù)和項(xiàng)目情境式教學(xué)相融合的混合式創(chuàng)新教學(xué)方法，真正實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新工程教育，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的工程人才邁出了重要的一步。

4 混合式創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐

混合式創(chuàng)新教學(xué)方法在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中完美地詮釋了教育教學(xué)的新質(zhì)量和人才培養(yǎng)的新模式。以數(shù)字電子鐘項(xiàng)目為例。數(shù)字電子鐘包括三大部分(即3個(gè)子項(xiàng)目)：時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路，校準(zhǔn)電路，計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路。按照數(shù)字電子鐘的項(xiàng)目，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)重構(gòu)，要求學(xué)生學(xué)習(xí)的理論知識(shí)點(diǎn)包括：555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器、SR鎖存器構(gòu)成的消抖電路、集成的計(jì)數(shù)器的應(yīng)用、集成譯碼器和顯示器的連接。具備了這些理論知識(shí)，就可以進(jìn)行子項(xiàng)目電路的設(shè)計(jì)，并用Multisim軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試。最后3部分連接起來(lái)就是完整的數(shù)字電子鐘。具體實(shí)踐如下：

(1)時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)。時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路由555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)，此電路可通過(guò)兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)：一種是用理論知識(shí)由555芯片、電阻和電容元件連接成多諧振蕩器，再用Multisim軟件畫(huà)圖及仿真；另一種是直接用Multisim軟件中Astable Operation功能，輸入電路的相關(guān)參數(shù)即可得到不同輸出頻率的多諧振蕩器電路。本文采用第二種方法直接生成多諧振蕩器電路，如圖1所示；在OUT端得到輸出頻率為1Hz的方波信號(hào)，如圖2所示。此信號(hào)作為秒脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器，進(jìn)行計(jì)數(shù)、譯碼、顯示。

電路設(shè)計(jì)、仿真完成之后，可以在此基礎(chǔ)上，設(shè)置不同的情境。例如：讓學(xué)生給家里設(shè)計(jì)一個(gè)防盜報(bào)警電路和門(mén)鈴電路等。要求學(xué)生課后自主完成設(shè)計(jì)、仿真和制作，并在班級(jí)、系或院里開(kāi)展作品競(jìng)賽。

圖1 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路

圖2 秒脈沖信號(hào)

(2)計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路設(shè)計(jì)。由于秒和分都是60進(jìn)制，這里只設(shè)計(jì)分的60進(jìn)制，小時(shí)是24進(jìn)制，經(jīng)過(guò)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，可以用兩種方法實(shí)現(xiàn)Mgt;N進(jìn)制，一種方法是整體反饋清零法，一種是整體反饋置數(shù)法。其中M代表n個(gè)芯片級(jí)聯(lián)后構(gòu)成的進(jìn)制，N代表要設(shè)計(jì)的進(jìn)制。本文用集成計(jì)數(shù)器74LS161D和74LS160N來(lái)實(shí)現(xiàn)，U8和U3構(gòu)成60進(jìn)制，U7和U11構(gòu)成24進(jìn)制，均采用整體反饋清零法，仿真時(shí)采用了集成譯碼器的數(shù)碼管進(jìn)行譯碼顯示，采用總線結(jié)構(gòu)連接，電路如圖3所示。

在原有設(shè)計(jì)的電路基礎(chǔ)上，進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣埂＠纾涸谛r(shí)和分之間、分和秒之間加入分隔符“：”，并讓分隔符“：”每秒鐘閃爍一次，電路應(yīng)如何改進(jìn)，設(shè)計(jì)出電路并進(jìn)行仿真。然后，再進(jìn)一步加深難度，若小時(shí)用12進(jìn)制顯示，還要區(qū)別開(kāi)上午和下午，如何實(shí)現(xiàn)？驅(qū)使學(xué)生觀察生活，激發(fā)創(chuàng)新的意識(shí)。

圖3 計(jì)數(shù)、譯碼、顯示電路

圖4 校準(zhǔn)電路

(3)校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)。校準(zhǔn)電路由SR鎖存器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)分和小時(shí)的校準(zhǔn)，開(kāi)關(guān)J3和J4的狀態(tài)如圖4所示，即為正常計(jì)數(shù)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)往右打，為校準(zhǔn)狀態(tài)。圖4中min端應(yīng)與圖3計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路分的個(gè)位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖輸入端相接，mh端應(yīng)與組成分60進(jìn)制的進(jìn)位端相接，hour端應(yīng)與小時(shí)的個(gè)位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖輸入端相接，clk端應(yīng)與圖1中555定時(shí)器的輸出端OUT相接，構(gòu)成數(shù)字電子鐘正常計(jì)時(shí)狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān)J3和J4處于校準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)J1和J2可以直接對(duì)分和小時(shí)進(jìn)行快速校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)和仿真完畢，以游泳比賽為情境，讓學(xué)生用SR鎖存器為游泳比賽設(shè)計(jì)自動(dòng)裁決優(yōu)先到達(dá)者的裁決電路。或者用SR鎖存器拓展，為工廠的沖床設(shè)計(jì)保安電路，當(dāng)操作人員的手進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)時(shí)應(yīng)使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。讓學(xué)生自發(fā)地融入到工程實(shí)踐中去，學(xué)以致用。

時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路、校準(zhǔn)電路和計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路3個(gè)子項(xiàng)目設(shè)計(jì)仿真完成后，利用Multisim軟件電路的分頁(yè)功能，把3個(gè)電路放在Multisim軟件一個(gè)文件下的3頁(yè)中，即可完成數(shù)字電子鐘項(xiàng)目電路的整機(jī)電路的設(shè)計(jì)和仿真。通過(guò)以上具體的實(shí)踐內(nèi)容和細(xì)節(jié)，混合式創(chuàng)新教學(xué)方法被證明適合新工科背景下創(chuàng)新工程教育。

5 結(jié)論

本文在新工科的背景下，針對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程的特點(diǎn)，提出了混合式創(chuàng)新教學(xué)方法，以適應(yīng)創(chuàng)新工程教育的需求。混合式創(chuàng)新教學(xué)方法是在采用項(xiàng)目情景教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，引入Multisim軟件仿真技術(shù)。通過(guò)詳盡闡述數(shù)字電子鐘項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)踐，證明混合式創(chuàng)新教學(xué)方法符合創(chuàng)新工程教育的新理念，有利于推進(jìn)工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

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責(zé)任編輯：劉 琳

ExplorationonApplicationofMixedInnovativeTeachinginDigitalElectronicCourseundertheBackgroundofNewEngineeringDiscipline

DONG Yubing, LI Mingjing

(College of Electronic Information Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China)

Under the background of the new engineering discipline, this paper explains five new connotations of the new engineering discipline in detail. In order to carry out the innovation engineering education, it gives a mixed innovation teaching method in view of the digital electronic technology course. This teaching method uses Multisim software to make circuit design, simulation and manufacture, laying the foundation for the students' engineering practice. Practice has proved that this teaching method gives full play to students’ subjective initiative and innovation in the digital electronic technology teaching, which is suitable for the innovative engineering education under new engineering discipline background, having great significance to the cultivation of outstanding engineering innovation talents.

new engineering discipline; digital electronic technology; Multisim simulation software; project situation

2017-03-06

吉林省教育廳一般教研項(xiàng)目(SJYB16-04)；長(zhǎng)春大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目(XJZD15-03)

董玉冰(1976-)，女，吉林松原人，副教授，碩士，主要從事電工電子教學(xué)及模式識(shí)別方面研究。

G642

A

1009-3907(2017)10-0117-04