基于線上線下混合式的電子線路教學案例設計

劉娟秀　高偉　金艷艷　粟娟　羅樂

關鍵詞：電工電子課程；線上線下混合式；“互聯網+”在線實驗平臺；教學設計

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）20-0164-03

0 引言

隨著信息技術的飛速發展，線上線下混合式教學成為高等教育的一種常態。教育部高等教育司吳巖指出，傳統意義上的課堂教學與現代信息技術融入的在線教學將長期共存并深度融合[1]。為了更好地將信息技術融入實驗課程教學環節，本文研究了結合在線課程資源、“互聯網+”實驗平臺的線上線下混合式電子線路教學案例設計。同時由于電工電子技術的發展、電路分析和設計方法的更新速度極快，結合目前教學現狀，將比較新穎的設計需求引入課程中，將課程需掌握的知識點技能點與項目任務聯系起來，有機融合電類基礎課程的多個知識點。通過教師主動引導學生去動手實踐一個完整項目的整個進程[2]，運用所學知識來解決實際問題，激發學生對專業的興趣和學習動力。

1 設計要求及原理

1.1 設計要求

項目要求設計一種基于數字電子技術的對對碰闖關大戰的電路。電路設置兩個按鍵區A、B，具體規則為：1） A、B分別有8路開關，A組8路開關按下分別對應顯示1～8號號碼牌，B組亦如此。2） 開關順序隨機排列，闖關者須找到A、B組中相同號碼牌的開關同時按下才能點亮對應輸出信號的燈。3） 必須從1號依次匹配至8號，所有燈都點亮就代表闖關成功，用時最短者獲勝。

根據上述規則，本實驗需完成開關電路、編碼顯示電路以及觸發器級聯電路的設計。基本要求如下：

1） 開關電路設計：16個開關按鍵分為A、B兩路，每個開關按下時需對應顯示其編號。當A、B兩路中代表同一個號碼的開關按下時，電路需比較判別出是否一致。

2） 編碼顯示電路：采用優先編碼器設計編碼顯示電路，電路設計時每個開關對應的編碼隨機排列，按下開關即顯示出編碼。

3） 觸發器級聯電路：當開關電路判別出兩路信號一致且是1號時，觸發器需存儲該狀態并點亮1號匹配指示燈。1號點亮后，當開關電路判別出兩路信號一致且是2號時，觸發器須存儲該狀態并點亮2號匹配指示燈，其余依次進行。

4） 指示電路：兩路開關匹配成功時以不同顏色的指示燈顯示。

5） 復位電路：設計一個按鍵對觸發器和顯示電路的初始狀態進行清零。

1.2 設計方案

根據實驗電路的需求，將系統結構劃分為如圖1 所示的框圖。開關電路部分將16個開關按鍵分為A、B兩路，每個開關按下時需對應顯示其編號。因此編碼顯示電路部分應考慮采用優先編碼器設計，硬件連線時每個開關對應的編碼隨機，按下開關即對該信號進行編碼并通過顯示譯碼器顯示在七段數碼管上。比較判別電路的功能為A、B兩路開關中兩個按鍵按下時，電路需比較判別出兩個開關的編號是否一致。如一致且是1號時，第一個觸發器輸出狀態發生翻轉點亮1號匹配指示燈。第一個觸發器狀態翻轉后，第二個觸發器才能發生狀態翻轉并點亮2號匹配指示燈。因此觸發器級聯電路的功能類似流水燈，可以采用移位寄存器的設計思路進行設計。指示電路的作用為兩路開關匹配成功時以不同顏色的指示燈顯示。

實驗方案如圖2所示，擴展功能脈沖信號產生和計時電路作為單獨的兩個模塊可供學生選做。本實驗項目將趣味性電路的設計引入學生的課程中來，運用現有所學的數字電子技術來解決該實際問題[3]。設計案例需要運用信號編碼、數據顯示、組合邏輯電路及時序邏輯電路設計等相關知識與技術方法，涵蓋了數字電子技術課程的核心內容，綜合性較強。

2 線上線下混合式教學設計

2.1 教學目標

以數字電子技術課程為依托，將組合邏輯電路和時序電路章節的知識點進行有機結合，強化學生對該門專業基礎課知識的綜合運用。通過該實驗項目使學生理解電路設計實現方法的多樣性及如何根據工程需求比較選擇技術方案，同時進一步鍛煉學生對常用儀器儀表的使用，著重培養學生硬件設計思維和硬件調試能力[4]。體驗創新設計快樂，承受挫折失敗，培養團結意識，提升社會責任感。

2.2 教學設計

本實驗的過程是一個比較完整的解決實際問題的電路設計及實踐，需要經歷學習研究、方案論證、系統設計、“互聯網+”在線平臺電路驗證、實現調試、測試標定、答辯演示、設計總結等過程。項目教學設計思路如圖3所示。課前、課中和課后各階段任務明確，實施過程中利用實驗管理系統進行過程管控和報告提交、評閱，同時結合“互聯網+”在線實驗平臺（如圖4） ，在課外進行電路功能驗證。

在實驗教學過程中，結合理論課程知識點，從課程內容本身出發探尋其蘊含的思政點，以案例教學法和啟發教學法將課程知識蘊含的思政元素傳遞給學生。

2.3 教學實施過程

1） 課前預習

教師課前通過智慧樹在線平臺發布預習內容，內容有本實驗題目要求、相關知識點及芯片和元器件使用指導視頻，部分其他參考資料以及預習思考題。需要學生根據題目要求在討論區進行討論，發表對題目的理解、觀點或問題，教師通過討論區中提出的問題，進行有針對性的講解和解答，線上指導引領相關模塊的設計。學生完成實驗預習，查找相關資料，能理解相關知識點，完成預習思考題，并且對于本實驗設計過程有一個清晰的思路，為后續課程講解打下基礎。

2） 課中方案講解、仿真設計

進入實驗課堂后，老師針對本案例設計提供大概的思路，講解設計過程中容易出現的問題，對重難點做出相關提示。課程中以引導為主，進行題目剖析、理論知識講解和方案引導。通常有多種實現方法，需要引導學生分析不同方案的優缺點。本實驗提供實物焊接所需儀器及元器件和芯片，老師需要對元器件領取及使用規則和安全問題進行詳細講解，并且進行安裝圖畫法講解。

確定設計方案和功能模塊后，學生利用Multisim 軟件進行仿真設計，分為基本要求設計部分和擴展功能設計部分兩部分。根據要求完成相關設計內容，注重過程設計，要求分模塊設計仿真、驗證，分析解決仿真中出現的問題，教師針對同學遇到的問題進行解答或引導。

3） 課外“互聯網+”在線實驗平臺驗證

利用在線實驗平臺進行各模塊電路的功能驗證，修改并完善所設計的電路[5]。通過在線平臺驗證自己所設計的電路滿足功能要求后，完成電路安裝圖設計（網孔板或印制電路板均可），完成實物的焊接。圖5 為學生利用在線實驗平臺進行所設計的電路功能驗證，并提交實驗截圖。

4） 課中實物調試、設計驗收

第二次實驗課程，教師重點講解分模塊調試方法和故障排除方法，學生結合實驗要求確定系統的基本程序流程，對各個模塊進行功能測試。在功能模塊設計、調試完成后，整合各功能模塊，搭建系統硬件結構，并按照測評表逐項對系統進行測試。教師按照各模塊完成指標情況進行相應的評分和考核。PCB和電路實物如圖6、圖7所示。

5） 課后報告總結、評價反饋

實驗完成后，組織學生以項目演講、答辯、評講的形式進行交流，了解不同方案及其特點，拓展知識面。學生根據實驗報告模板的要求完成實驗報告的撰寫，須詳細闡述設計過程的思路及過程，重點關注遇到的問題及解決方法。報告提交至實驗管理系統后，教師在電子版報告上進行批改評分。同時教師在智慧樹線上平臺發布話題，學生進行評價反饋。

2.4 課程考核

課程考核設置了課前、課中和課后環節的考核，通過明確的考核要求設計，強化過程管理。同時引入擴展功能激勵機制，通過考查內容的階梯性，激發學生實驗興趣，提升學習動力。另外，在考核中重視設計總結報告的撰寫，考查實驗報告的規范性與完整性。成績評定方法如表1所示。

3 結論

該項目通過新穎性、趣味性的電路設計，提高學生的學習興趣和實驗參與度。所用知識點涵蓋了數字電子技術的主要章節內容，包含了一個較為完整的數字電路設計流程，可強化學生對該門專業基礎課知識的綜合運用。解決學生對這門課程知識前后知識無法關聯的問題，學生還可以將理論課程所學知識整合后結合實驗將其進行實際應用，通過實驗使學生了解整個工程設計的過程，在需求分析、系統設計、仿真分析、電路構建、測試電路和分析等方面的能力得到充分鍛煉。

另外項目難度適中、方案設計多樣、單元化特點明顯、擴展性強，并具有考核標準層次化的特點。實驗各階段目標明確，采用線上線下相結合的教學方式，充分利用在線實驗平臺進行電路功能驗證，使學生實驗不受空間和時間的限制，可以自由發揮進行設計并驗證，培養學生自主設計能力。