基于探究式教学的“数字电子技术”实验案例设计

王革思, 周 天, 潘大鹏, 高明生, 李 杨

(1. 哈尔滨工程大学 国家级电工电子实验教学示范中心, 黑龙江 哈尔滨 150001；2. 哈尔滨工程大学 水声工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

实验课程改革

基于探究式教学的“数字电子技术”实验案例设计

王革思1, 周 天2, 潘大鹏1, 高明生2, 李 杨2

(1. 哈尔滨工程大学 国家级电工电子实验教学示范中心, 黑龙江 哈尔滨 150001；2. 哈尔滨工程大学 水声工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

依据探究式教学的内涵,提出了“数字电子技术”实验教学的改革思路，以学生为中心,从提高理论知识应用水平、增强工程实践能力、培养创新意识和创新能力方面入手,研发了巡回检测报警器、顺序脉冲信号发生器等大量的探究式实验教学案例。这些探究式教学资源既能用于课堂教学,又能用于课下自主学习，能够极大地激发学生的积极性、想象力和创造力。

探究式教学； 巡回检测报警器； 顺序脉冲信号发生器

“数字电子技术”是国内高等学校电类专业的基础核心课程,具有较强的理论性、实践性和工程性,对培养学生基本素质、实践能力和创新能力有着十分重要的作用。近年来,我们认真贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》,围绕电子信息技术人才的培养,持续、深化地进行实验教学改革和创新。通过引入探究式教学方法和先进的EDA技术,将学生实践技能培养与理论知识的重点及难点相互融合对接,突出实践创新教学,激发学生实验兴趣[1],发掘学生实验探究能力。

1 探究式教学内涵及思路

探究式教学内涵主要体现在3个方面:一是从科学探究的视角看,探究式教学是一种在学校环境下模拟性的科学研究活动,旨在培养学生的科学素质,特别是培养学生创造精神和创新能力；二是从教的视角看,探究式教学是一种以“探究”为主线的教学活动,把科学领域中的探究活动引入教学,使学生在知识获得的过程中经历类似科学家的探究过程,培养学生科学探究探究能力；三是从学的视角看,探究式教学是一种积极的学习过程,强调学生探索新知识的经历和体验,通过学生积极主动地探究去构建知识体系,在这个过程中学生掌握研究问题所必备的探究能力,掌握解决问题的方法,培养学生的科学态度和形成价值观。

“数字电子技术”探究式实验教学是以掌握数字逻辑电路理论知识为基础,以解决工程实际问题为目标,促进学生形成主动思考、自我创新的意识[2]。我们将传统的以教师为中心、以课堂为中心、以理论教学为中心,转变成以学生为中心、以实践为中心、以培养能力为中心[3]。按照学生“认识、理解、消化、实践、提升”的循序渐进认知过程,以解决工程实际问题为线索,有意识地创设问题情境[4],把理论知识和实验技能巧妙地隐含在实验项目中[5],既体现了知识的综合性与创新性,又体现了能力与素质培养。在教师的指导下,让学生独立自主学习和合作讨论学习,通过探索、研究途径来获取知识。学生则根据已有的知识、技能、爱好以及创新意识,进行具体实验项目的论证和设计,通过以“做”带“学”、以“学”促“做”,激励自主科技创新学习,充分发挥自身探究能力特长[6],创造性地解决教师给出的工程实际问题。此外,还需要提供丰富的教学资源以及良好的开放性自主学习环境,全方位促进学生培养[7]。

2 巡回检测报警器设计

2.1 教学设计

报警器是目前应用最为广泛的一种安防设备,在机关团体、工矿企业、楼堂馆所以及家庭住所中到处可见。在“数字电子技术”这门课程中,计数器、数据选择器、显示译码器等都是学习和掌握的重点知识。为了让学生能够全面掌握和综合应用这些知识,我们通过探究式教学方法让学生自行设计一个报警器。

具体做法:实验的入口是元器件引导,中间实践环节是以理论课知识及学生平时实践经验积累为基础[8],出口是实验结果。教师事先给出题目、元器件范围及功能要求,从报警器功能上引导学生探究解决各种问题的途径和方法。首先,教师明确报警器需要对8路报警信号进行依次检测,这样学生就可以确定报警电路共包含8个工作状态,很自然地联想到计数器具有产生多个电路状态功能；其次,教师说明报警器每次只能对1路报警信号进行检测,并引导学生回忆学过的知识,学生能够很快地想到数据选择器具有这样功能；最后,需要显示每路通道的编号,学生则会结合自己掌握的理论知识和实践经验,选用显示译码器和LED数码管实现该功能。

2.2 电路设计

巡回检测报警器是由4部分电路以及LED数码管组成,如图1所示。

图1 巡回检测报警器仿真电路

图中,与非门U1A和U1B(7400N)、电阻R1和R2以及按键K1组成单个脉冲产生电路,每按动一次K1,就会输出一个脉冲；计数器U2(74161N)接成了一个八进制加法计数器,这里称为电路状态产生电路,在脉冲信号作用下,其依次输出000—111共8个BCD码,表示报警器电路工作时的8个状态；数据选择器U3(74151N)、开关S0—S7组成报警通道电路,用S0—S7分别代替8个红外(或烟感、温感)等开关量输出的传感器,根据U2的输出状态,可选择相应通道,以检测每个传感器是否有报警信号输出(高电平有效)；显示译码器U4(7448N)用来对U2输出状态进行译码,以便在LED数码管上显示通道号0—7。如果再增加一个时钟电路,就可实现自动检测功能。

3 时间可调顺序脉冲信号发生器设计

3.1 教学设计

在一些设备产品中,需要按照事先规定的顺序进行一系列的操作,这就要求其控制系统输出一组在时间上有一定先后顺序的脉冲信号,以形成所需要的各种控制信号。在家用洗衣机、交通信号机等众多设备产品中,顺序脉冲信号发生器应用得非常广泛。该类实验属于课程设计范畴,我们采用了自上而下的数字系统设计方法。这种设计方法操作规范,循序渐进,能够将实验教学与解决实际工程问题系统地融合成一体[9]。让学生从整个系统功能出发,首先进行最上层的系统总体设计,包括设计任务和要求、功能及技术指标等；然后逐级向下将系统分成几个功能模块,再将每个功能模块划分成若干个子模块,包括系统电路结构设计、系统工作原理描述等，最后完成每个功能模块的具体电路设计。

时间可调顺序脉冲信号发生器技术指标如下:

(1) 输出脉冲路数:3路,低电平有效；

(2) 单路脉冲时间设置范围:0 s ～ 99 s；

(3) 控制方式:顺序、自动输出。

根据技术指标要求,就可以初步确定时间可调顺序脉冲发生器应该包括顺序脉冲信号、时间设置、步进信号以及时钟信号等功能模块。

3.2 电路设计

时间可调顺序脉冲信号发生器电路,如图2所示。图中示波器用来显示3路顺序脉冲波形。

(1) 顺序脉冲电路。包括加法计数器U7(74HC160)、地址译码器U8(74HC138)。U7接成一个三进制加法计数器,在U6B输出的步进信号作用下,其QB、QA端依次输出00—10。U8再对U7的输出进行译码,使其Y0、Y1、Y2端分别输出3路顺序脉冲信号(低电平有效)。

(2) 时间设置电路。包括定时器电路和时间选择电路。定时器电路由加法计数器U1和U2(74HC160)、二—十进制译码器U3和U4(74HC42)组成。U1和U2接成一个100进制加法计数器,通过对1 Hz基准时钟信号进行计数,实现 0 s—99 s 的时间计时。U3对U1输出状态(0000—1001)译码,产生个位秒信号。U4对U2输出状态(0000—1001)译码,产生十位秒信号。时间选择电路用来调整3路顺序脉冲信号时间长度,可选用波段开关或计数器+数据选择器进行设计,图2中未给此部分电路。

(3) 步进信号电路。包括与非门U5A、U5B、U5C和U6A、U6B。此电路输入信号分为2路,一路是顺序脉冲信号,另一路是定时信号(图中接成10 s、20 s和30 s),据此产生步进信号,以控制顺序脉冲电路工作顺序。此电路还能产生定时器清零信号。

(4) 时钟信号电路。选用1 Hz时钟电压源,也可自行设计此电路。

图2 时间可调顺序脉冲信号发生器仿真电路

4 结语

通过引入探究式教学方法,极大地激发出学生的积极性、想象力和创造力[10],学生实验项目设计方案呈现出灵活性、多样化。教师从提高学生理论知识应用水平、增强学生工程实践能力、培养学生创新意识、创新能力方面入手,目前已经研发出数字逻辑电路基础知识应用的4个实验单元以及数字应用系统的4个实验单元,共计48个探究式实验教学案例[11]。课上教师可以通过这些教学案例的讲解、分析、仿真演示,启发、引导学生如何解决工程实际问题,开阔学生视野、启发学生创新思维[12]；课下学生可以进行实验前的预学、预做、预练,满足不同学生发展方向的需求。同时还吸引学生参加科技创新活动的热情,为学生科技创新交流创造了条件。近3年,学生参与教师科研和教研项目26项,承担各级大学生创新性实验计划17项,科技创新活动获得国家级和省部级奖224项，每年还有20余名学生通过科技创新活动所取得的优异成绩被保送研究生。

References)

[1] 王尔申,庞涛,李鹏,等.Multisim和Proteus仿真在数字电路课程教学中的应用[J].实验技术与管理,2013,30(3):78-81.

[2] 吕小师，王辉，王有凯，等.基于创新教育的高校创新人才培养方案:以土木工程专业为例[J].价值工程,2011(21):180-181.

[3] 余国江,姜海,徐滟.卓越工程师培养的德国经验借鉴研究[J].高教探索,2015(2):66-69.

[4] 杨春玲,朱敏,张岩.数字电子技术基础研究性教学方法的探索与实践[J].中国大学教学, 2014 (2): 58-60.

[5] 李旭,张为公.基于科研项目的数字电路创新型实验教学改革[J].实验室研究与探索, 2015,34(1):168-171.

[6] 朱泓,李志义,刘志军.高等工程教育改革与卓越工程师培养的探索与实践[J].高等工程教育研究, 2013 (6):68-71.

[7] 韦新荣,陈家全,杨轲,等.加强开放实验平台建设 全面提升实验教学质量[J].新疆医科大学学报,2008(1):114.

[8] 王革思.探究式教学在数字电子技术实验课中的应用研究[J].教育探索, 2014(1):58-59.

[9] 邓春,李军.电力电子技术实验教学模式探索与实践[J].实验科学与技术,2015,13(5):92-96.

[10] 王琢,蔡洪铡.以项目为导向的大学生创新实践能力培养[J].中国电力教育,2013(1):26-27.

[11] 王革思.电子电路实验教学资源建设研究[J].实验技术与管理,2015,32(1):167-170.

[12] 李琰,吴建强,齐凤艳.开放与自主学习模式下的实验教学体系[J].实验室研究与探索, 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,黑龙江哈尔滨,本科,高级工程师,研究方向为实验教学与实验室管理

E-mail：wanggesi@hrbeu.edu.cn

周天(1980—),男,黑龙江哈尔滨,博士,教授,研究方向为水声目标探测、实验教学与实验室管理.

E-mail：zhoutian@hrbeu.edu.cn

G642.423

A

1002-4956(2017)2-0166-04