基于EDA技術的《電工電子》實驗混合式教學模式研究

白燕燕 ，胡曉霞，陳潔浩，楚鑫源

（西安工商學院，陜西西安，710200）

0 引言

混合式課程建設已經成為當前"新工科"建設的解決方案共識。"新工科"這一新的教育理念,以培養高素質、高技能、全面型人才為目的,通過對人才培養模式的創新，從而帶動整個社會經濟的發展。混合式教學改革一定會重構傳統課堂教學，因為這種教學把傳統教學的時間和空間都進行了擴展，“教”和“學”不一定都要在同一個時間同一個地點發生，在線教學平臺的核心價值就是拓展了教和學的時間和空間。

開展混合教學的最終目的不是去使用在線平臺，不是去建設數字化的教學資源，也不是去開展花樣翻新的教學活動，而是有效提升絕大部分學生學習的深度。

1 互聯網時代的實驗教學

大多數實驗課程都是依賴于理論課程，內容方面不生動。實驗項目中，多為驗證性實驗,而設計性實驗太少, 學生不感興趣，其主觀能動性無法充分調動起來。

如何實現以學生學為中心的教學轉變，如何有效融入信息化及數字化教學工具，如何開展線上線下一體化的混合式教學，如何做到理論與實踐的融合，這些都是我們在教學模式和教學方法中需要解決的問題。

在“互聯網＋”時代，智慧校園應運而生，智慧課堂教學備受關注。融合傳統課堂學習與網絡在線學習優勢的混合式學習(Blended Learning)將成為未來學校教學的主要方式。

無論是線上還是線下都需要給予學生及時的學習反饋，基于在線教學平臺或者其他小程序開展一些在線小測試是反饋學生學習效果的重要手段。通過這些反饋，讓教學的活動更加具有針對性，不但讓學生學得明明白白，也讓教師教的明明白白。

2 基于項目驅動和興趣導向的混合式教學模式

興趣是最好的老師，實踐指引著我們的方向。本課題立足項目驅動和興趣導向，深層次的研究了混合式教學在《電工電子》實驗這門課的積極推動作用。

2.1 混合式教學模式的構建

課題組設計合適的教學情境，最大化的節約教學硬件設施，使硬件和軟件做到有機結合。

《電工電子》實驗是一門實踐性非常強的課程，我們的課程重在培養學生的工程素質、分析解決問題能力、動手能力和創新能力。

要實現這一目的,需要從各個方面改變原有的教育模式,建立新型的人才培養模式,提高大學生和高校教師隊伍的整體素質,包括工程實踐和創新能力等,從而將其融入到課內與課外、理論與實踐的教學活動中,全面提高大學生的創新精神和創新能力。將線上課堂與傳統教學相結合，實現混合式教學模式以及多層次的混合，是我們應該持續努力的方向。

2.2 項目的選擇

在教學內容安排上，根據學科專業特性，利用混合式教學進行課程模式探索。教師要做好教學設計，充分利用好課程學習前置的必要性，《電工電子》實驗課程以項目為驅動，以興趣為導向，提高學生的設計能力。

學生通過實驗，學習興趣得到激發，學習主動性和科技創新能力得到提高，為就業或進一步深造奠定了較好的基礎。今后如有條件，應積極引導學生申報校級的學生開放實驗項目或大學生創業項目，通過這些項目的研究，使理論知識和實際應用相輔相成。圖1是基于項目驅動和興趣導向的混合式教學模式方框圖。

圖1 基于項目驅動和興趣導向的混合式教學模式框圖

2.3 教學的開放性

選擇《電工電子》實驗的《電子設計自動化》、《模擬電子技術》、《數字電子技術》等實驗課程進行分析和案例對比。進行調研，設計出適合的教學情境和教學方法；在研究基礎上觀察和論證是否真正得到提高；對3門課程課堂效果對比，邊教學，邊實踐，邊改進。

本課程共選擇出7個案例。基礎項目案例包括：任意進制計數器的設計、4位加法器設計、彩燈控制器設計、交通管理器設計以及搶答器設計。提高性項目案例包括：搖搖棒的設計和2層Leonardo開發板的設計。課程共分為兩個環節：理論教學環節和實踐教學環節。

設計合適的教學情境，建立學生興趣小組。學生可從所有的案例中選擇自己感興趣的或者想要去做的1-2個去做。

2.4 教學案例之一任意進制計數器的設計

以下是學生選擇的基礎項目六進制計數器的設計。

計數器是一種使用相當廣泛的功能器件，按照計數方式分為加法計數器、減法計數器，以及可逆計數器。按照工作方式可分為同步計數器和異步計數器。按照進制劃分，可以分為二進制、十進制和任意進制計數器。

74LS161是四位二進制同步加法計數器，除了有二進制加法計數功能外，還具有異步清零，同步置數、保持等功能。74LS160是8421BCD碼十進制同步加法計數器。也具有異步清零、同步置數、保持功能。

學生設計中分別選用74LS161和74LS160運用清零法和置數法，來設計六進制計數器。選用555定時器構成的多諧振蕩器來產生1s的信號。圖2是運用74LS161二進制同步加法器設計的六進制計數器。這里使用了清零法。圖3是運用74LS160十進制同步加法器設計的六進制計數器。這里使用了同步置數法。

圖2 74LS161二進制同步加法器設計的六進制計數器

圖3 74LS160十進制同步加法器設計的六進制計數器

從實驗結果來看，電路設計簡單，易操作。學生從實驗中可以更好的掌握任意進制計數器的設計規則。設計中的注意事項是學生應掌握74LS161或74LS160各個管腳的功能。對應理解其真值表。

運用EDA設計工具可以直觀的看到實驗變化。在EDA設計工具MUTISIM的運行中，可以觀測到數碼管從0計數到5實現了六進制計數器的功能。 以此類推，可以運用十進制計數器或者二進制計數器進行任意進制計數器的設計。

2.5 教學案例之二搖搖棒的設計

以下是學生設計項目搖搖棒。搖搖棒就是每個LED燈按照一定亮滅形成“點”，將這些燈焊接成一列，形成了“線”，最后搖起來就形成了“面”。該項目包括單片機最小系統、LED燈16個，水銀開關、按鍵、電池。系統框圖如圖4所示。

圖4 搖搖棒系統框圖

該項目的實現過程首先設計電路，繪制方框圖，其次利用EDA設計工具Altium Designer繪制電路原理圖，繪制印刷電路板，進行設計規則檢查，手工焊接電路板，最后編程，下載程序調試。在單片機正常工作前提下，以矩陣形式連接16個LED燈，加入水銀開關控制，朝一個方向搖晃時候顯示畫面，另一方向不顯示。再加入按鍵切換，能夠顯示更多畫面

圖5為搖搖棒的PCB設計圖。

圖5 搖搖棒的PCB設計圖

硬件電路設計完畢，最后是軟件設計。這里設計的是16*16LED點陣。編寫程序，下載程序，用取模軟件取出自己想要的字符編碼。第一維控制顯示屏幕的屏幕數，第二維度控制每個屏幕顯示的文字個數。

通過提高性項目學生可以更深刻的學會運用單片機的功能，做到學以致用。從項目中感受學習的樂趣。

3 學習效果分析

本課題的主要目標是研究如何把傳統的實驗室驗證實驗做成創新的符合時代發展的新型工科實驗的問題。從實驗項目的定制，到實驗環節的設計和分工合作。通過基礎的電工電子實驗延伸，錄制相關操作視頻，提供教學材料，利用云班課和QQ群指導學生閱讀教材，分析案例，慕課學習。利用EDA設計工具MUTISIM，Altium Designer，Proteus, MATLAB等，邊實踐邊學習，培養學生的自主學習能力。潛移默化改變學生手機的娛樂用途，充分利用好網絡資源。

在本課程中，項目組前期已經對數字電子技術實驗課建立興趣小組，以基礎項目開始逐漸過渡到提高性實驗。培養學生的實驗興趣和對真理的追求精神。興趣小組學生積極參加校內外舉辦的各種比賽項目。多人次在藍橋杯單片機設計與開發、EDA設計與開發以及TI杯電子設計大賽中獲得省級以上獎項。基于興趣和對知識應用的追求，小組學生設計的指紋智能密碼鎖已經應用在該小組學生的宿舍門鎖中。

參加全國大學生科技競賽，更能增強大學生的市場競爭力。這就要求教師在教學中巧妙的把科研引入教學，培養學生獨立探索問題與進行科學研究的能力。

4 結束語

學生更好的利用多學科的綜合知識指導自身實驗順利完成，以及從實驗中強化理論知識。做到學以致用。使學生懂得用多學科多種途徑多種實驗方式來完成一種實驗。場景式表現，是案例最具特色的表現形式，將案例場景再現，模擬案例中的人物、事件、情節、道具等將案例表現在教學過程中，使案例更具真實性。通過場景引起學生的感官感受，增強案例的感染力。場景式表現增強了參與者的真實體驗，參與者身臨其境般的感受引發了其思考的主動性和積極性。