董玉冰，李明晶

(長春大學 電子信息工程學院，長春 130022)

新工科背景下混合式創(chuàng)新教學在數(shù)字電子課程中的應用探索

董玉冰，李明晶

(長春大學 電子信息工程學院，長春 130022)

在新工科的背景下，詳盡地詮釋了新工科的5個新的內涵，為了更好地進行創(chuàng)新工程教育，在數(shù)字電子技術課程中提出了混合式創(chuàng)新教學方法。此教學方法采用Multisim軟件進行電路的設計、仿真和制作，為學生的工程實踐打下基礎。實踐證明，此教學方法在數(shù)字電子技術課程教學中充分發(fā)揮了學生的主觀能動性和創(chuàng)新性，適合新工科背景下創(chuàng)新工程教育，對培養(yǎng)優(yōu)秀的工程創(chuàng)新人才具有重要的意義。

新工科；數(shù)字電子技術；Multisim仿真軟件；項目情境

隨著教育部《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》的發(fā)布，各地高校開展了新工科的研究實踐活動，深化工程教育改革，推進新工科的建設與發(fā)展。在“復旦共識”、“天大行動”、“北京指南”后，全國各個高校也開啟了新工科的篇章。新工科的5個新，即工程教育的新理念、學科專業(yè)的新結構、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學的新質量、分類發(fā)展的新體系。在5個新的指導下，數(shù)字電子技術課程現(xiàn)有的教學方法已不能適應新工科背景下創(chuàng)新工程教育的要求。在此背景下，本文提出了Multisim軟件仿真技術和項目情境教學法相融合的混合式創(chuàng)新教學方法，以推進新工科背景下創(chuàng)新工程教育對工程人才的培養(yǎng)。

1 項目情境教學法

項目教學法起源于美國，盛行于德國。項目教學法就是在教師對課程內容應用場合的劃分下，以做項目的形式，指導學生進行理論相關內容的學習。然后，引導學生進行項目的開發(fā)，由學生進行理論知識的匯總、方案的設計、項目制作及最終評價。

情境教學法是指在教學過程中，教師根據(jù)學生的關注點、興趣愛好等有目的地引入或創(chuàng)設具有一定情緒色彩的、以形象為主體的生動具體的情境，以引起學生提高參與教學的熱情。

項目情境教學法，是項目教學法和情境教學法相融合，是通過“項目”來設置“模擬情境”開展課程教學，實現(xiàn)課程教學目標。在教學中采用基于問題學習，基于資源學習的項目情境教學方法，使學生“從做中學”。為此，要以項目為載體重構數(shù)字電子技術課程知識體系，每個學習情境均是一個項目完整的工作過程，又由多個子項目構成，子項目也是一個完整和相對獨立的工作過程。學習情境的最后一個子項目又是一個涵蓋前幾個子項目內容的綜合性項目。每個項目及子項目之間由簡單到復雜、由低級到高級、由單一到綜合。

2 Multisim可視化教學法

Multisim是業(yè)界一流的SPICE仿真標準環(huán)境，它是美國國家儀器有限公司(NI公司)電路電子教學解決方案的重要基礎,可通過設計、原型開發(fā)、電子電路測試等實踐操作來提高學生的技能。在設計過程中，Multisim軟件可以使原型迭代次數(shù)降低，并能幫助設計者及時、有效地對印刷電路板(PCB)的設計進行優(yōu)化。NI公司還開發(fā)了為電路、電子等相關內容課程的Multisim軟件教學版，使學生能夠在理論、設計、仿真、調試、制作之間進行無縫連接。 不管采用那種形式的教學模式，Multisim軟件的引入為教學提供了豐富的資源，突顯了如下優(yōu)勢：

(1)建立了圖形化和可視化的電子電路理論知識。電子電路涉及到不同種類的元器件、分立電路和品種繁多的集成芯片，枯燥的物理知識、復雜和龐大的內部原理電路，讓學生望而止步，無興趣參與電路的設計。而Multisim軟件建立的交互式、圖形化的界面，從而可視化了理論知識，有利于學生加深對理論知識點的掌握。對于教師而言，憑借Multisim軟件強大的元器件庫和智能連線可使教師快速、容易地進行課內教學和課外作業(yè)所需的電路圖的繪制及設計。另外，Multisim軟件具有20多種虛擬儀器和多種廠家的實體儀器，用于可視化電路參數(shù)的調整對信號的影響，例如用虛擬示波器觀察實時調整555定時器組成多諧振蕩器的電阻阻值或電容容值對輸出波形的頻率、占空比等參數(shù)的影響。

(2)提供SPICE多種仿真分析，深入剖析電路的狀況。Multisim軟件提供了20種不同的分析方法，包括基本分析方法和高級分析方法，有助于學生熟悉電路的基本狀況、性能、測量和分析電路的各種響應。

(3)集成了NI公司硬件教學平臺，使仿真和實踐結果同現(xiàn)。Multisim軟件與NI 公司的myDAQ和ELVIS硬件平臺無縫集成，實現(xiàn)了同一條件下，仿真結果和實踐結果的對比，更有利于電路設計中參數(shù)的選擇和調整。

(4)加速了項目的設計、仿真和制作。學生在不斷積累工程知識，承擔各種設計任務，需要借助不同的設計軟件和設計工具相結合來實現(xiàn)。所有的設計軟件的設計環(huán)境都是大同小異的，掌握了其中的一種，其余的都會觸類旁通的。Multisim軟件的學習有利于學生對其他設計軟件的掌握。另外，Multisim和Ultiboard軟件的工具是在同一工具鏈中，有助于學生快速、有效開展電路設計、仿真和原型開發(fā)。

除了以上Multisim軟件在教學應用上的優(yōu)勢外， Multisim軟件還為數(shù)字電子技術課程教學提供了邏輯門、計數(shù)器和微控制器，以輔助與邏輯代數(shù)相關的數(shù)字電子內容的教學。為了避免學習難懂的編程語法，可通過把專業(yè)的可編程邏輯器件原理圖，以數(shù)字邏輯門電路的形式轉換成VHDL語言，部署到DIGILENT子公司開發(fā)的FPGA硬件上，進行數(shù)字電路的相關知識的學習。因此，在數(shù)字電子技術課程中引入Multisim軟件，是在項目情景教學法的基礎之上，實現(xiàn)項目情景中的子項目和整體項目的電路設計，并進行調試和仿真，得到正確、完整的電路，然后進行實際電路的制作。

3 混合式創(chuàng)新教學方法

采用Multisim軟件仿真技術和項目情境教學方法相融合的混合式創(chuàng)新教學方法，把數(shù)字電子技術中的教學過程分成兩部分。第一部分，以項目為載體，設置模擬情境，重構知識體系。數(shù)字電子技術課程內容以智力競賽搶答器、數(shù)字電子鐘、數(shù)字頻率計、自動售貨機等項目為載體進行重構。理論知識點以項目為依據(jù)進行子項目劃分，例如：計數(shù)電路子項目、譯碼電路子項目、顯示電路子項目等等。第二部分，采用Multisim軟件對子項目進行設計、仿真和制作。按照數(shù)字電子技術課程的知識體系，引入計算機仿真技術Multisim軟件，建立項目電路的設計和仿真。例如：項目為設計2人搶答器，在此背景下引出本節(jié)課所要講授的知識點基本RS觸發(fā)器，講授完后利用Multisim軟件設計并仿真項目。設置情境，如果搶答的人多怎么辦，如果需要計時搶答怎么辦……學生由被動記憶RS觸發(fā)器電路和真值表轉變?yōu)橹鲃犹剿鞲鞣N觸發(fā)器功能。模擬情境的設置，使學生遐想連篇，激發(fā)學生學習的主觀能動性。

數(shù)字電子技術教學中采用混合式創(chuàng)新教學方法，可以完美地解決數(shù)字電子技術教學中的如下問題：①可以解決理論教學中，課時少和內容多的矛盾。采用項目式教學，通過對知識點的整合，大大節(jié)約了課時量。②可以減小實驗教學投入，降低實驗成本。Multisim軟件器件庫中有常用的大量儀器設備、元器件、芯片和模塊等，可以開展驗證性、設計性和綜合性實驗，無需增加實驗器材的投入，也為各種競賽和開放性實驗搭建了平臺。③保證實驗的高真實性。Multisim軟件仿真技術的應用可以通過參數(shù)的調整和環(huán)境參數(shù)(溫度、噪聲等)的設定，高真實性地模擬實驗環(huán)境。④增加實驗的多樣性。通過Multisim軟件的平臺，可以做故障性實驗等，借助其強大分析功能可觀測到實際儀器不能測到和記錄的數(shù)據(jù)、曲線等。

因此，采用項目式教學，通過對知識點的整合，縮短理論教學的課時。通過Multisim軟件仿真技術可進行各種實驗項目，保證實驗教學的高真實性，且靈活、可靠，也為各種競賽提供開放性的平臺。Multisim軟件仿真技術和項目情境式教學相融合的混合式創(chuàng)新教學方法，真正實現(xiàn)了創(chuàng)新工程教育，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的工程人才邁出了重要的一步。

4 混合式創(chuàng)新教學實踐

混合式創(chuàng)新教學方法在數(shù)字電子技術教學中完美地詮釋了教育教學的新質量和人才培養(yǎng)的新模式。以數(shù)字電子鐘項目為例。數(shù)字電子鐘包括三大部分(即3個子項目)：時鐘脈沖產生電路，校準電路，計數(shù)、譯碼顯示電路。按照數(shù)字電子鐘的項目，對課程內容進行知識點重構，要求學生學習的理論知識點包括：555定時器構成的多諧振蕩器、SR鎖存器構成的消抖電路、集成的計數(shù)器的應用、集成譯碼器和顯示器的連接。具備了這些理論知識，就可以進行子項目電路的設計，并用Multisim軟件進行設計、仿真和調試。最后3部分連接起來就是完整的數(shù)字電子鐘。具體實踐如下：

(1)時鐘脈沖產生電路設計。時鐘脈沖產生電路由555定時器構成多諧振蕩器來實現(xiàn)，此電路可通過兩種方法進行設計：一種是用理論知識由555芯片、電阻和電容元件連接成多諧振蕩器，再用Multisim軟件畫圖及仿真；另一種是直接用Multisim軟件中Astable Operation功能，輸入電路的相關參數(shù)即可得到不同輸出頻率的多諧振蕩器電路。本文采用第二種方法直接生成多諧振蕩器電路，如圖1所示；在OUT端得到輸出頻率為1Hz的方波信號，如圖2所示。此信號作為秒脈沖信號送給計數(shù)器，進行計數(shù)、譯碼、顯示。

電路設計、仿真完成之后，可以在此基礎上，設置不同的情境。例如：讓學生給家里設計一個防盜報警電路和門鈴電路等。要求學生課后自主完成設計、仿真和制作，并在班級、系或院里開展作品競賽。

圖1 時鐘脈沖產生電路

圖2 秒脈沖信號

(2)計數(shù)、譯碼顯示電路設計。由于秒和分都是60進制，這里只設計分的60進制，小時是24進制，經過理論知識的學習，可以用兩種方法實現(xiàn)Mgt;N進制，一種方法是整體反饋清零法，一種是整體反饋置數(shù)法。其中M代表n個芯片級聯(lián)后構成的進制，N代表要設計的進制。本文用集成計數(shù)器74LS161D和74LS160N來實現(xiàn)，U8和U3構成60進制，U7和U11構成24進制，均采用整體反饋清零法，仿真時采用了集成譯碼器的數(shù)碼管進行譯碼顯示，采用總線結構連接，電路如圖3所示。

在原有設計的電路基礎上，進行適當?shù)耐卣?。例如：在小時和分之間、分和秒之間加入分隔符“：”，并讓分隔符“：”每秒鐘閃爍一次，電路應如何改進，設計出電路并進行仿真。然后，再進一步加深難度，若小時用12進制顯示，還要區(qū)別開上午和下午，如何實現(xiàn)？驅使學生觀察生活，激發(fā)創(chuàng)新的意識。

圖3 計數(shù)、譯碼、顯示電路

圖4 校準電路

(3)校準電路設計。校準電路由SR鎖存器構成，實現(xiàn)分和小時的校準，開關J3和J4的狀態(tài)如圖4所示，即為正常計數(shù)狀態(tài)，開關往右打，為校準狀態(tài)。圖4中min端應與圖3計數(shù)、譯碼顯示電路分的個位計數(shù)器的時鐘脈沖輸入端相接，mh端應與組成分60進制的進位端相接，hour端應與小時的個位計數(shù)器的時鐘脈沖輸入端相接，clk端應與圖1中555定時器的輸出端OUT相接，構成數(shù)字電子鐘正常計時狀態(tài)。當開關J3和J4處于校準狀態(tài)時，通過開關J1和J2可以直接對分和小時進行快速校準。

校準電路設計和仿真完畢，以游泳比賽為情境，讓學生用SR鎖存器為游泳比賽設計自動裁決優(yōu)先到達者的裁決電路。或者用SR鎖存器拓展，為工廠的沖床設計保安電路，當操作人員的手進入危險區(qū)時應使電動機停轉。讓學生自發(fā)地融入到工程實踐中去，學以致用。

時鐘脈沖產生電路、校準電路和計數(shù)、譯碼顯示電路3個子項目設計仿真完成后，利用Multisim軟件電路的分頁功能，把3個電路放在Multisim軟件一個文件下的3頁中，即可完成數(shù)字電子鐘項目電路的整機電路的設計和仿真。通過以上具體的實踐內容和細節(jié)，混合式創(chuàng)新教學方法被證明適合新工科背景下創(chuàng)新工程教育。

5 結論

本文在新工科的背景下，針對數(shù)字電子技術課程的特點，提出了混合式創(chuàng)新教學方法，以適應創(chuàng)新工程教育的需求?；旌鲜絼?chuàng)新教學方法是在采用項目情景教學方法的基礎上，引入Multisim軟件仿真技術。通過詳盡闡述數(shù)字電子鐘項目的教學實踐，證明混合式創(chuàng)新教學方法符合創(chuàng)新工程教育的新理念，有利于推進工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

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責任編輯：劉 琳

ExplorationonApplicationofMixedInnovativeTeachinginDigitalElectronicCourseundertheBackgroundofNewEngineeringDiscipline

DONG Yubing, LI Mingjing

(College of Electronic Information Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China)

Under the background of the new engineering discipline, this paper explains five new connotations of the new engineering discipline in detail. In order to carry out the innovation engineering education, it gives a mixed innovation teaching method in view of the digital electronic technology course. This teaching method uses Multisim software to make circuit design, simulation and manufacture, laying the foundation for the students' engineering practice. Practice has proved that this teaching method gives full play to students’ subjective initiative and innovation in the digital electronic technology teaching, which is suitable for the innovative engineering education under new engineering discipline background, having great significance to the cultivation of outstanding engineering innovation talents.

new engineering discipline; digital electronic technology; Multisim simulation software; project situation

2017-03-06

吉林省教育廳一般教研項目(SJYB16-04)；長春大學校級重點項目(XJZD15-03)

董玉冰(1976-)，女，吉林松原人，副教授，碩士，主要從事電工電子教學及模式識別方面研究。

G642

A

1009-3907(2017)10-0117-04