基于线上线下混合式的电子线路教学案例设计

刘娟秀　高伟　金艳艳　粟娟　罗乐

关键词：电工电子课程；线上线下混合式；“互联网+”在线实验平台；教学设计

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）20-0164-03

0 引言

随着信息技术的飞速发展，线上线下混合式教学成为高等教育的一种常态。教育部高等教育司吴岩指出，传统意义上的课堂教学与现代信息技术融入的在线教学将长期共存并深度融合[1]。为了更好地将信息技术融入实验课程教学环节，本文研究了结合在线课程资源、“互联网+”实验平台的线上线下混合式电子线路教学案例设计。同时由于电工电子技术的发展、电路分析和设计方法的更新速度极快，结合目前教学现状，将比较新颖的设计需求引入课程中，将课程需掌握的知识点技能点与项目任务联系起来，有机融合电类基础课程的多个知识点。通过教师主动引导学生去动手实践一个完整项目的整个进程[2]，运用所学知识来解决实际问题，激发学生对专业的兴趣和学习动力。

1 设计要求及原理

1.1 设计要求

项目要求设计一种基于数字电子技术的对对碰闯关大战的电路。电路设置两个按键区A、B，具体规则为：1） A、B分别有8路开关，A组8路开关按下分别对应显示1～8号号码牌，B组亦如此。2） 开关顺序随机排列，闯关者须找到A、B组中相同号码牌的开关同时按下才能点亮对应输出信号的灯。3） 必须从1号依次匹配至8号，所有灯都点亮就代表闯关成功，用时最短者获胜。

根据上述规则，本实验需完成开关电路、编码显示电路以及触发器级联电路的设计。基本要求如下：

1） 开关电路设计：16个开关按键分为A、B两路，每个开关按下时需对应显示其编号。当A、B两路中代表同一个号码的开关按下时，电路需比较判别出是否一致。

2） 编码显示电路：采用优先编码器设计编码显示电路，电路设计时每个开关对应的编码随机排列，按下开关即显示出编码。

3） 触发器级联电路：当开关电路判别出两路信号一致且是1号时，触发器需存储该状态并点亮1号匹配指示灯。1号点亮后，当开关电路判别出两路信号一致且是2号时，触发器须存储该状态并点亮2号匹配指示灯，其余依次进行。

4） 指示电路：两路开关匹配成功时以不同颜色的指示灯显示。

5） 复位电路：设计一个按键对触发器和显示电路的初始状态进行清零。

1.2 设计方案

根据实验电路的需求，将系统结构划分为如图1 所示的框图。开关电路部分将16个开关按键分为A、B两路，每个开关按下时需对应显示其编号。因此编码显示电路部分应考虑采用优先编码器设计，硬件连线时每个开关对应的编码随机，按下开关即对该信号进行编码并通过显示译码器显示在七段数码管上。比较判别电路的功能为A、B两路开关中两个按键按下时，电路需比较判别出两个开关的编号是否一致。如一致且是1号时，第一个触发器输出状态发生翻转点亮1号匹配指示灯。第一个触发器状态翻转后，第二个触发器才能发生状态翻转并点亮2号匹配指示灯。因此触发器级联电路的功能类似流水灯，可以采用移位寄存器的设计思路进行设计。指示电路的作用为两路开关匹配成功时以不同颜色的指示灯显示。

实验方案如图2所示，扩展功能脉冲信号产生和计时电路作为单独的两个模块可供学生选做。本实验项目将趣味性电路的设计引入学生的课程中来，运用现有所学的数字电子技术来解决该实际问题[3]。设计案例需要运用信号编码、数据显示、组合逻辑电路及时序逻辑电路设计等相关知识与技术方法，涵盖了数字电子技术课程的核心内容，综合性较强。

2 线上线下混合式教学设计

2.1 教学目标

以数字电子技术课程为依托，将组合逻辑电路和时序电路章节的知识点进行有机结合，强化学生对该门专业基础课知识的综合运用。通过该实验项目使学生理解电路设计实现方法的多样性及如何根据工程需求比较选择技术方案，同时进一步锻炼学生对常用仪器仪表的使用，着重培养学生硬件设计思维和硬件调试能力[4]。体验创新设计快乐，承受挫折失败，培养团结意识，提升社會责任感。

2.2 教学设计

本实验的过程是一个比较完整的解决实际问题的电路设计及实践，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、“互联网+”在线平台电路验证、实现调试、测试标定、答辩演示、设计总结等过程。项目教学设计思路如图3所示。课前、课中和课后各阶段任务明确，实施过程中利用实验管理系统进行过程管控和报告提交、评阅，同时结合“互联网+”在线实验平台（如图4） ，在课外进行电路功能验证。

在实验教学过程中，结合理论课程知识点，从课程内容本身出发探寻其蕴含的思政点，以案例教学法和启发教学法将课程知识蕴含的思政元素传递给学生。

2.3 教学实施过程

1） 课前预习

教师课前通过智慧树在线平台发布预习内容，内容有本实验题目要求、相关知识点及芯片和元器件使用指导视频，部分其他参考资料以及预习思考题。需要学生根据题目要求在讨论区进行讨论，发表对题目的理解、观点或问题，教师通过讨论区中提出的问题，进行有针对性的讲解和解答，线上指导引领相关模块的设计。学生完成实验预习，查找相关资料，能理解相关知识点，完成预习思考题，并且对于本实验设计过程有一个清晰的思路，为后续课程讲解打下基础。

2） 课中方案讲解、仿真设计

进入实验课堂后，老师针对本案例设计提供大概的思路，讲解设计过程中容易出现的问题，对重难点做出相关提示。课程中以引导为主，进行题目剖析、理论知识讲解和方案引导。通常有多种实现方法，需要引导学生分析不同方案的优缺点。本实验提供实物焊接所需仪器及元器件和芯片，老师需要对元器件领取及使用规则和安全问题进行详细讲解，并且进行安装图画法讲解。

确定设计方案和功能模块后，学生利用Multisim 软件进行仿真设计，分为基本要求设计部分和扩展功能设计部分两部分。根据要求完成相关设计内容，注重过程设计，要求分模块设计仿真、验证，分析解决仿真中出现的问题，教师针对同学遇到的问题进行解答或引导。

3） 课外“互联网+”在线实验平台验证

利用在线实验平台进行各模块电路的功能验证，修改并完善所设计的电路[5]。通过在线平台验证自己所设计的电路满足功能要求后，完成电路安装图设计（网孔板或印制电路板均可），完成实物的焊接。图5 为学生利用在线实验平台进行所设计的电路功能验证，并提交实验截图。

4） 课中实物调试、设计验收

第二次实验课程，教师重点讲解分模块调试方法和故障排除方法，学生结合实验要求确定系统的基本程序流程，对各个模块进行功能测试。在功能模块设计、调试完成后，整合各功能模块，搭建系统硬件结构，并按照测评表逐项对系统进行测试。教师按照各模块完成指标情况进行相应的评分和考核。PCB和电路实物如图6、图7所示。

5） 课后报告总结、评价反馈

实验完成后，组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同方案及其特点，拓展知识面。学生根据实验报告模板的要求完成实验报告的撰写，须详细阐述设计过程的思路及过程，重点关注遇到的问题及解决方法。报告提交至实验管理系统后，教师在电子版报告上进行批改评分。同时教师在智慧树线上平台发布话题，学生进行评价反馈。

2.4 课程考核

课程考核设置了课前、课中和课后环节的考核，通过明确的考核要求设计，强化过程管理。同时引入扩展功能激励机制，通过考查内容的阶梯性，激发学生实验兴趣，提升学习动力。另外，在考核中重视设计总结报告的撰写，考查实验报告的规范性与完整性。成绩评定方法如表1所示。

3 结论

该项目通过新颖性、趣味性的电路设计，提高学生的学习兴趣和实验参与度。所用知识点涵盖了数字电子技术的主要章节内容，包含了一个较为完整的数字电路设计流程，可强化学生对该门专业基础课知识的综合运用。解决学生对这门课程知识前后知识无法关联的问题，学生还可以将理论课程所学知识整合后结合实验将其进行实际应用，通过实验使学生了解整个工程设计的过程，在需求分析、系统设计、仿真分析、电路构建、测试电路和分析等方面的能力得到充分鍛炼。

另外项目难度适中、方案设计多样、单元化特点明显、扩展性强，并具有考核标准层次化的特点。实验各阶段目标明确，采用线上线下相结合的教学方式，充分利用在线实验平台进行电路功能验证，使学生实验不受空间和时间的限制，可以自由发挥进行设计并验证，培养学生自主设计能力。