基于探究式教學的“數字電子技術”實驗案例設計

王革思, 周 天, 潘大鵬, 高明生, 李 楊

(1. 哈爾濱工程大學 國家級電工電子實驗教學示范中心, 黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學 水聲工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

實驗課程改革

基于探究式教學的“數字電子技術”實驗案例設計

王革思1, 周 天2, 潘大鵬1, 高明生2, 李 楊2

(1. 哈爾濱工程大學 國家級電工電子實驗教學示范中心, 黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學 水聲工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

依據探究式教學的內涵,提出了“數字電子技術”實驗教學的改革思路，以學生為中心,從提高理論知識應用水平、增強工程實踐能力、培養創新意識和創新能力方面入手,研發了巡回檢測報警器、順序脈沖信號發生器等大量的探究式實驗教學案例。這些探究式教學資源既能用于課堂教學,又能用于課下自主學習，能夠極大地激發學生的積極性、想象力和創造力。

探究式教學； 巡回檢測報警器； 順序脈沖信號發生器

“數字電子技術”是國內高等學校電類專業的基礎核心課程,具有較強的理論性、實踐性和工程性,對培養學生基本素質、實踐能力和創新能力有著十分重要的作用。近年來,我們認真貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》,圍繞電子信息技術人才的培養,持續、深化地進行實驗教學改革和創新。通過引入探究式教學方法和先進的EDA技術,將學生實踐技能培養與理論知識的重點及難點相互融合對接,突出實踐創新教學,激發學生實驗興趣[1],發掘學生實驗探究能力。

1 探究式教學內涵及思路

探究式教學內涵主要體現在3個方面:一是從科學探究的視角看,探究式教學是一種在學校環境下模擬性的科學研究活動,旨在培養學生的科學素質,特別是培養學生創造精神和創新能力；二是從教的視角看,探究式教學是一種以“探究”為主線的教學活動,把科學領域中的探究活動引入教學,使學生在知識獲得的過程中經歷類似科學家的探究過程,培養學生科學探究探究能力；三是從學的視角看,探究式教學是一種積極的學習過程,強調學生探索新知識的經歷和體驗,通過學生積極主動地探究去構建知識體系,在這個過程中學生掌握研究問題所必備的探究能力,掌握解決問題的方法,培養學生的科學態度和形成價值觀。

“數字電子技術”探究式實驗教學是以掌握數字邏輯電路理論知識為基礎,以解決工程實際問題為目標,促進學生形成主動思考、自我創新的意識[2]。我們將傳統的以教師為中心、以課堂為中心、以理論教學為中心,轉變成以學生為中心、以實踐為中心、以培養能力為中心[3]。按照學生“認識、理解、消化、實踐、提升”的循序漸進認知過程,以解決工程實際問題為線索,有意識地創設問題情境[4],把理論知識和實驗技能巧妙地隱含在實驗項目中[5],既體現了知識的綜合性與創新性,又體現了能力與素質培養。在教師的指導下,讓學生獨立自主學習和合作討論學習,通過探索、研究途徑來獲取知識。學生則根據已有的知識、技能、愛好以及創新意識,進行具體實驗項目的論證和設計,通過以“做”帶“學”、以“學”促“做”,激勵自主科技創新學習,充分發揮自身探究能力特長[6],創造性地解決教師給出的工程實際問題。此外,還需要提供豐富的教學資源以及良好的開放性自主學習環境,全方位促進學生培養[7]。

2 巡回檢測報警器設計

2.1 教學設計

報警器是目前應用最為廣泛的一種安防設備,在機關團體、工礦企業、樓堂館所以及家庭住所中到處可見。在“數字電子技術”這門課程中,計數器、數據選擇器、顯示譯碼器等都是學習和掌握的重點知識。為了讓學生能夠全面掌握和綜合應用這些知識,我們通過探究式教學方法讓學生自行設計一個報警器。

具體做法:實驗的入口是元器件引導,中間實踐環節是以理論課知識及學生平時實踐經驗積累為基礎[8],出口是實驗結果。教師事先給出題目、元器件范圍及功能要求,從報警器功能上引導學生探究解決各種問題的途徑和方法。首先,教師明確報警器需要對8路報警信號進行依次檢測,這樣學生就可以確定報警電路共包含8個工作狀態,很自然地聯想到計數器具有產生多個電路狀態功能；其次,教師說明報警器每次只能對1路報警信號進行檢測,并引導學生回憶學過的知識,學生能夠很快地想到數據選擇器具有這樣功能；最后,需要顯示每路通道的編號,學生則會結合自己掌握的理論知識和實踐經驗,選用顯示譯碼器和LED數碼管實現該功能。

2.2 電路設計

巡回檢測報警器是由4部分電路以及LED數碼管組成,如圖1所示。

圖1 巡回檢測報警器仿真電路

圖中,與非門U1A和U1B(7400N)、電阻R1和R2以及按鍵K1組成單個脈沖產生電路,每按動一次K1,就會輸出一個脈沖；計數器U2(74161N)接成了一個八進制加法計數器,這里稱為電路狀態產生電路,在脈沖信號作用下,其依次輸出000—111共8個BCD碼,表示報警器電路工作時的8個狀態；數據選擇器U3(74151N)、開關S0—S7組成報警通道電路,用S0—S7分別代替8個紅外(或煙感、溫感)等開關量輸出的傳感器,根據U2的輸出狀態,可選擇相應通道,以檢測每個傳感器是否有報警信號輸出(高電平有效)；顯示譯碼器U4(7448N)用來對U2輸出狀態進行譯碼,以便在LED數碼管上顯示通道號0—7。如果再增加一個時鐘電路,就可實現自動檢測功能。

3 時間可調順序脈沖信號發生器設計

3.1 教學設計

在一些設備產品中,需要按照事先規定的順序進行一系列的操作,這就要求其控制系統輸出一組在時間上有一定先后順序的脈沖信號,以形成所需要的各種控制信號。在家用洗衣機、交通信號機等眾多設備產品中,順序脈沖信號發生器應用得非常廣泛。該類實驗屬于課程設計范疇,我們采用了自上而下的數字系統設計方法。這種設計方法操作規范,循序漸進,能夠將實驗教學與解決實際工程問題系統地融合成一體[9]。讓學生從整個系統功能出發,首先進行最上層的系統總體設計,包括設計任務和要求、功能及技術指標等；然后逐級向下將系統分成幾個功能模塊,再將每個功能模塊劃分成若干個子模塊,包括系統電路結構設計、系統工作原理描述等，最后完成每個功能模塊的具體電路設計。

時間可調順序脈沖信號發生器技術指標如下:

(1) 輸出脈沖路數:3路,低電平有效；

(2) 單路脈沖時間設置范圍:0 s ～ 99 s；

(3) 控制方式:順序、自動輸出。

根據技術指標要求,就可以初步確定時間可調順序脈沖發生器應該包括順序脈沖信號、時間設置、步進信號以及時鐘信號等功能模塊。

3.2 電路設計

時間可調順序脈沖信號發生器電路,如圖2所示。圖中示波器用來顯示3路順序脈沖波形。

(1) 順序脈沖電路。包括加法計數器U7(74HC160)、地址譯碼器U8(74HC138)。U7接成一個三進制加法計數器,在U6B輸出的步進信號作用下,其QB、QA端依次輸出00—10。U8再對U7的輸出進行譯碼,使其Y0、Y1、Y2端分別輸出3路順序脈沖信號(低電平有效)。

(2) 時間設置電路。包括定時器電路和時間選擇電路。定時器電路由加法計數器U1和U2(74HC160)、二—十進制譯碼器U3和U4(74HC42)組成。U1和U2接成一個100進制加法計數器,通過對1 Hz基準時鐘信號進行計數,實現 0 s—99 s 的時間計時。U3對U1輸出狀態(0000—1001)譯碼,產生個位秒信號。U4對U2輸出狀態(0000—1001)譯碼,產生十位秒信號。時間選擇電路用來調整3路順序脈沖信號時間長度,可選用波段開關或計數器+數據選擇器進行設計,圖2中未給此部分電路。

(3) 步進信號電路。包括與非門U5A、U5B、U5C和U6A、U6B。此電路輸入信號分為2路,一路是順序脈沖信號,另一路是定時信號(圖中接成10 s、20 s和30 s),據此產生步進信號,以控制順序脈沖電路工作順序。此電路還能產生定時器清零信號。

(4) 時鐘信號電路。選用1 Hz時鐘電壓源,也可自行設計此電路。

圖2 時間可調順序脈沖信號發生器仿真電路

4 結語

通過引入探究式教學方法,極大地激發出學生的積極性、想象力和創造力[10],學生實驗項目設計方案呈現出靈活性、多樣化。教師從提高學生理論知識應用水平、增強學生工程實踐能力、培養學生創新意識、創新能力方面入手,目前已經研發出數字邏輯電路基礎知識應用的4個實驗單元以及數字應用系統的4個實驗單元,共計48個探究式實驗教學案例[11]。課上教師可以通過這些教學案例的講解、分析、仿真演示,啟發、引導學生如何解決工程實際問題,開闊學生視野、啟發學生創新思維[12]；課下學生可以進行實驗前的預學、預做、預練,滿足不同學生發展方向的需求。同時還吸引學生參加科技創新活動的熱情,為學生科技創新交流創造了條件。近3年,學生參與教師科研和教研項目26項,承擔各級大學生創新性實驗計劃17項,科技創新活動獲得國家級和省部級獎224項，每年還有20余名學生通過科技創新活動所取得的優異成績被保送研究生。

References)

[1] 王爾申,龐濤,李鵬,等.Multisim和Proteus仿真在數字電路課程教學中的應用[J].實驗技術與管理,2013,30(3):78-81.

[2] 呂小師，王輝，王有凱，等.基于創新教育的高校創新人才培養方案:以土木工程專業為例[J].價值工程,2011(21):180-181.

[3] 余國江,姜海,徐滟.卓越工程師培養的德國經驗借鑒研究[J].高教探索,2015(2):66-69.

[4] 楊春玲,朱敏,張巖.數字電子技術基礎研究性教學方法的探索與實踐[J].中國大學教學, 2014 (2): 58-60.

[5] 李旭,張為公.基于科研項目的數字電路創新型實驗教學改革[J].實驗室研究與探索, 2015,34(1):168-171.

[6] 朱泓,李志義,劉志軍.高等工程教育改革與卓越工程師培養的探索與實踐[J].高等工程教育研究, 2013 (6):68-71.

[7] 韋新榮,陳家全,楊軻,等.加強開放實驗平臺建設 全面提升實驗教學質量[J].新疆醫科大學學報,2008(1):114.

[8] 王革思.探究式教學在數字電子技術實驗課中的應用研究[J].教育探索, 2014(1):58-59.

[9] 鄧春,李軍.電力電子技術實驗教學模式探索與實踐[J].實驗科學與技術,2015,13(5):92-96.

[10] 王琢,蔡洪鍘.以項目為導向的大學生創新實踐能力培養[J].中國電力教育,2013(1):26-27.

[11] 王革思.電子電路實驗教學資源建設研究[J].實驗技術與管理,2015,32(1):167-170.

[12] 李琰,吳建強,齊鳳艷.開放與自主學習模式下的實驗教學體系[J].實驗室研究與探索, 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,黑龍江哈爾濱,本科,高級工程師,研究方向為實驗教學與實驗室管理

E-mail：wanggesi@hrbeu.edu.cn

周天(1980—),男,黑龍江哈爾濱,博士,教授,研究方向為水聲目標探測、實驗教學與實驗室管理.

E-mail：zhoutian@hrbeu.edu.cn

G642.423

A

1002-4956(2017)2-0166-04