雙創背景下電子產品設計課程的教學改革研究

張紅紅 連衛民

摘? 要： 傳統電子產品設計課程的教學比較枯燥難懂，或是資源浪費且易發生危險。在“大眾創業，萬眾創新”的雙創背景下，提出課程的教學模式改革。運用先進的電子產品設計軟件，采用案例式教學模式，增強了課程的趣味性和吸引力，加快了產品設計的周期。實踐結果表明，該方式教學效果良好，學生能夠更加專注于電子產品的設計和創新改進，更有利于培養其創新精神，使之更好地適應雙創社會環境。

關鍵詞： 雙創; 電子產品設計; 教學改革; EDA; Proteus

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）09-91-05

Research on the teaching reform of electronic product design curriculum in the background of innovation and entrepreneurship

Zhang Honghong1，2， Lian Weimin1

（1. School of Information Engineering， Henan University of Animal Husbandry and Economy， Zhengzhou， Henan 450044， China;

2. School of Computer Engineering and Science， Shanghai University）

Abstract： The traditional teaching of electronic product design curriculum is either dull and difficult to understand or wasteful and dangerous. In the context of "mass entrepreneurship and innovation"， this paper proposes teaching mode reform for the curriculum. Using the advanced electronic product design software， the case teaching mode is used to enhance the interest and attractiveness of the course， accelerate the cycle of product design. The practice results show that the teaching mode has a good effect， students can be more focused on the design of electronic product and innovation and improvement， which is more conducive to cultivating their innovative spirit， make them better adapt to the social environment of innovation and entrepreneurship.

Key words： innovation and entrepreneurship; electronic product design; teaching reform; EDA; Proteus

0 引言

在“大眾創業，萬眾創新”[1-3]的雙創背景下，如何培養具有創新能力的人才，是新時代背景下教育所面臨的一個巨大的挑戰。因此，雙創背景下電子產品設計課程也不例外的需要探索其教學改革。

1 教學模式改革

1.1 傳統教學模式及存在的問題

高校傳統的電子產品設計課程的教學模式主要有兩種：一種是理論式教學，教師通過黑板或投影講解電子產品的設計原理;另一種是實踐式教學，在專用的焊接室，讓學生自己焊接簡易的物品。第一種理論教學，大多數學生會覺得枯燥難懂，容易產生厭學情緒，影響教學效果。第二種實踐教學，需要專門的實驗室和大量設備及器件，對教學資源有較大占用[4];而且實驗由于某些環節的錯誤導致產品失敗，反復多次實驗又導致大量浪費;有時雖然實驗成功了，但有的學生并沒弄明白產品的設計原理;還有些學生在操作過程中由于粗心大意發生觸電、燙傷等事故。

1.2 新型教學模式

本文針對以上兩種教學模式的不足，提出了利用電子產品設計軟件進行案例式教學的教學模式改革。利用軟件進行電子產品設計，需要學生掌握產品原理，依次按部詳細設計，這有利于加深他們對設計原理的理解，而且通過軟件可以直觀地觀察到產品完成后工作效果，增加了學習的趣味性和吸引力，極大地增強教學效果[5];不需要專門的實驗室和設備器材等，而且軟件設計方便反復查錯和修改，節約了大量的教學資源，同時避免了學生在學習過程中發生危險。新的軟件設計方式加快了電子產品設計的流程、縮短了設計周期，學生可以更加專注于產品設計，不斷提出產品的改進和創新，有利于培養創新精神。

Proteus是“電子產品設計”課程所用主要的應用工具。Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司開發的電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）軟件，從原理圖到代碼調試，再到CPU與外圍電路的協同仿真，實現了從概念到產品的完整設計。Proteus支持IAR（Ingenj?rsfirman Anders Rundgren）、Keil、Matlab等多種編譯器。

2 案例教學模式

下面通過案例來討論教學模式的改革。流水燈系統是電子產品設計的經典入門案例，學習該系統，可以使學生掌握電子產品設計的思路、流程、方法及具體的設計技巧[6]。

2.1 概念及原理

流水燈是一組燈，通過程序控制這組燈按照指定的規律發光和熄滅，形成的流動視覺效果如行云流水一般，故名流水燈。這里的燈是LED（Light Emitting Diode，發光二極管）燈，如圖1所示，其中（a）是電子設計和實驗用的指示燈，（b）是許多燈珠組合而成的LED燈，（c）是簡易節能LED燈泡，（d）是目前家庭客廳或場所照明常用吸頂燈，（e）是街頭LED廣告牌。LED是半導體二極管的一種，由一個PN結組成，當給其加上正向電壓后，從P區過來的空穴在PN結附近與N區的電子復合，從N區過來的電子在PN結附近與P區的空穴復合，產生自發輻射的熒光。不同材料中空穴和電子的能量狀態不同，在復合時發出的能量多少也不同，于時發出光的波長不同，進而有了各種顏色的發光二極管，如紅（砷化鎵）、綠（磷化鎵）、黃（碳化硅）、藍（氮化鎵）等。但是，沒有一種材料可以發出白光。2014年諾貝爾獎獲得者中村修二博士發明了藍光LED，為白光LED奠定了基礎，即在原來PN結的基礎上增加了一個熒光粉涂層，反射的黃光與原來的藍光混合后產生了白光。

流水燈系統的功能是若干個LED燈按照一定的規律交替亮滅。設計原理分析如下：LED燈的正負級通電可以發亮，斷電可以熄滅，所以需要控制通過LED 燈的電流有無，可以采用最常用的51單片機來進行控制。為了簡化控制，可以使若干個燈的正極統一接電源，負極分別接到單片機的某些I/O口。通過代碼來控制單片機相應I/O口的輸出電平高低，使得所接LED燈時而有電流通過（亮）、時而無電流通過（滅），進而實現流水燈的功能。

2.2 設計流程

如同計算機包含軟硬件一樣，電子產品的設計也包括軟硬件兩部分，共同配合來完成電子產品的功能。硬件部分就是在Proteus工具下進行的工程開發，包括元器件選型和布局、原理圖布線、加載程序運行、錯誤檢查和修正等，工程設計的詳細流程如圖2（a）所示。軟件部分選用keil μVision工具進行C語言的編碼和調試，包括新建項目和文件、處理器選擇、設置編譯環境、編寫代碼反復調試，編碼設計的詳細流程如圖2（b）所示。軟件調試通過的代碼要加載到工程中去檢測是否完成所需的功能，即圖2（a）中“Load Program”步驟。如果不能完成指定的功能，需要回溯調試各個部分，包括元件選型、電路連接以及軟件編碼，反復調試直到成功。

2.3 教學重點和難點

在教學過程中，要注重把握案例教學的重點和難點。在電子產品設計的教學中，重點是讓學生通過案例的學習掌握整個電子產品設計的流程。難點之一是功能分析和原理設計，難點之二是實現代碼。在教學過程中，要提醒學生注意一些操作細節，避免彎路和錯路。比如工程開發中的CPU 選型與代碼設計中的處理器選型要一致;發光二級管的方向不要弄錯，軟件中可以通過空格鍵來調整方向等。

在教學過程中，要注意與實踐相結合。①二極管是有方向性的，無論是在原理設計還是在實踐焊接中，都要注意不要把正負極方向搞錯。②普通二極管在導通之后，所分得的電壓一般為0.7V;發光二極管在導通之后，所分得的電壓一般是1～2V，電流值為5～20mA，如果電流小于5mA，發光二極管將不會被點亮，如果大于20mA，發光二極管將會損壞;而單片機I/O口的電壓通常為5V，所以在設計過程中，要注意加上一個分壓電阻，通常選用在實踐中常用的220歐姆電阻。

2.4 案例實踐

流水燈系統所需元件不多，清單如表1所示。

本例采用四個流水燈，設計好的原理圖連接如圖3或4所示。圖3或圖4的區別在于器件布線時是否采用總線方式，圖3是直連，圖4采用了總線連接。直連方向由于是兩個引腳間直接相連，所以不必標注每條連續的名稱;總線連接則不同，必須詳細標注每條線的名稱，因為它們統一接入了總線，如果不標示清楚，則系統不知道哪兩條線是對應連接的，會直接導致系統功能出錯。

C代碼實現如下：

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

sbit P10=P1^0;

sbit P11=P1^1;

sbit P12=P1^2;

sbit P13=P1^3;

void delay（uint x）

{

uchar tw;

while（x-->0）

{

for（tw=0;tw<125;tw++）;

}

}

void main（void）

{

P1=0xff;

delay（100）;

P10=0;

delay（100）;

P10=1;

P11=0;

delay（100）;

P11=1;

P12=0;

delay（100）;

P12=1;

P13=0;

delay（100）;

}

其中頭文件中包含了單片機中的各種端口和寄存器的定義，delay函數是延時函數，用來延緩流水燈的亮滅過程，使人眼能夠清晰地分辯。sbit P10=P1^0;是單片機的位操作，每位用來控制一個LED燈。

以上是通過案例教學來探討教學模式改革，這種方式趣味性強，使學生擺脫了枯燥的理論學習，快速看到運行結果使學生獲得一種成就感。而且，這種方式讓學生專注于設計環節，不斷創新，開發出自己的電子產品。以下展示部分學生作品。

3 教學效果展示

圖5所示是一個花式流水燈系統。該同學在教學案例的基礎上，創新如下：①花式流水燈采用8個，流水燈由原來的共電源改為自己的共地;②在案例基礎上增加了時鐘電路和可以交互的復位電路;③流水花樣繁多，由單一的從上到下流動改為上下雙向流動加不同燈數閃爍不同次數，而且把自己的學號應用于燈數和閃爍次數上。

圖6所示是一個音樂播放系統，原理圖非常簡單，只在單片機的P1.3口上接了一個揚聲器Sounder，該同學的創新和難點在于代碼部分。

void Buzzer（int Tone，int Beat）

{

int i=0;

Beat_val=Beat;

EA=1;

while（Beat_val>0）

{

Beep=1;

i=Tone;

while（i）

{

i--;

}

Beep=0;

i=Tone;

while（i）

{

i--;

}

}

EA=0;

}

其中Tone參數用于控制音調，Beat參數用于控制節拍，寫出不同的音調、節拍數組，就可以播放不同的音樂。

圖7所示的是一個交通燈系統，該系統的創新和難點在于把發光二極管和七段數碼結合起來，實現了具有現實意義功能的交通燈。該系統模擬了一個十字路口四個方向的紅綠燈運行情況，設定了3秒的黃燈時間，另一個方向在黃燈結束1秒之后紅燈變為綠燈，截圖正是水平方向黃燈即將結束時的系統狀態。

圖8所示為一個8*8點陣的顯示系統。系統中使用了排阻，簡化了系統設計。點陣結構的難點在于實際使用的點陣各引腳順序不是有序排列的。該系統設計顯示了0、1、2…9，A、B…F的十六進制數，心型等圖案以及一些漢字。截圖是顯示中國的“中”字運行效果圖。

4 結束語

本文針對傳統電子產品設計課程教學方式的不足，提出基于電子設計軟件的案例式教學模式，通過案例教學使學生掌握電子產品設計的流程和方法，專注于產品設計的創新和改進。教學實踐結果表明，該模式教學效果良好，有利于培養學生的創新精神和創業思維。我們下一步的研究方向和目標為進一步深化課程改革的模式，擴大課程改革的范圍，推進課程改革的應用，希望為雙創環境提供一大批創新型人才。

參考文獻（References）：

[1] 李克強.2014夏季達沃斯論壇報告[R].世界經濟度論壇，2014.9.10.

[2] 李克強.2015政府工作報告[R].中國政府網，2015.3.5

[3] 國務院.國務院關于推動創新創業高質量發展打造“雙創”升級版的意見[Z].中國政府網，2018.9.26.

[4] 原松梅. “雙一流”背景下C++程序設計雙語教學實踐與探索[J].計算機教育，2018.10：110-112

[5] 蔡增玉，張建偉，張啟坤等.面向雙創的網絡工程專業實踐教學改革研究[J].計算機時代，2018.12：78-79

[6] 何欣，劉俊男，廖先富.新工科背景下的網絡工程專業實驗教學體系[J].計算機教育，2018.9：133-136