雙創(chuàng)背景下電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革研究

張紅紅 連衛(wèi)民

摘? 要： 傳統(tǒng)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程的教學(xué)比較枯燥難懂，或是資源浪費(fèi)且易發(fā)生危險(xiǎn)。在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的雙創(chuàng)背景下，提出課程的教學(xué)模式改革。運(yùn)用先進(jìn)的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件，采用案例式教學(xué)模式，增強(qiáng)了課程的趣味性和吸引力，加快了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期。實(shí)踐結(jié)果表明，該方式教學(xué)效果良好，學(xué)生能夠更加專注于電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新改進(jìn)，更有利于培養(yǎng)其創(chuàng)新精神，使之更好地適應(yīng)雙創(chuàng)社會(huì)環(huán)境。

關(guān)鍵詞： 雙創(chuàng); 電子產(chǎn)品設(shè)計(jì); 教學(xué)改革; EDA; Proteus

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）09-91-05

Research on the teaching reform of electronic product design curriculum in the background of innovation and entrepreneurship

Zhang Honghong1，2， Lian Weimin1

（1. School of Information Engineering， Henan University of Animal Husbandry and Economy， Zhengzhou， Henan 450044， China;

2. School of Computer Engineering and Science， Shanghai University）

Abstract： The traditional teaching of electronic product design curriculum is either dull and difficult to understand or wasteful and dangerous. In the context of "mass entrepreneurship and innovation"， this paper proposes teaching mode reform for the curriculum. Using the advanced electronic product design software， the case teaching mode is used to enhance the interest and attractiveness of the course， accelerate the cycle of product design. The practice results show that the teaching mode has a good effect， students can be more focused on the design of electronic product and innovation and improvement， which is more conducive to cultivating their innovative spirit， make them better adapt to the social environment of innovation and entrepreneurship.

Key words： innovation and entrepreneurship; electronic product design; teaching reform; EDA; Proteus

0 引言

在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”[1-3]的雙創(chuàng)背景下，如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才，是新時(shí)代背景下教育所面臨的一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因此，雙創(chuàng)背景下電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程也不例外的需要探索其教學(xué)改革。

1 教學(xué)模式改革

1.1 傳統(tǒng)教學(xué)模式及存在的問題

高校傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程的教學(xué)模式主要有兩種：一種是理論式教學(xué)，教師通過黑板或投影講解電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理;另一種是實(shí)踐式教學(xué)，在專用的焊接室，讓學(xué)生自己焊接簡易的物品。第一種理論教學(xué)，大多數(shù)學(xué)生會(huì)覺得枯燥難懂，容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒，影響教學(xué)效果。第二種實(shí)踐教學(xué)，需要專門的實(shí)驗(yàn)室和大量設(shè)備及器件，對教學(xué)資源有較大占用[4];而且實(shí)驗(yàn)由于某些環(huán)節(jié)的錯(cuò)誤導(dǎo)致產(chǎn)品失敗，反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)又導(dǎo)致大量浪費(fèi);有時(shí)雖然實(shí)驗(yàn)成功了，但有的學(xué)生并沒弄明白產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理;還有些學(xué)生在操作過程中由于粗心大意發(fā)生觸電、燙傷等事故。

1.2 新型教學(xué)模式

本文針對以上兩種教學(xué)模式的不足，提出了利用電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行案例式教學(xué)的教學(xué)模式改革。利用軟件進(jìn)行電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，需要學(xué)生掌握產(chǎn)品原理，依次按部詳細(xì)設(shè)計(jì)，這有利于加深他們對設(shè)計(jì)原理的理解，而且通過軟件可以直觀地觀察到產(chǎn)品完成后工作效果，增加了學(xué)習(xí)的趣味性和吸引力，極大地增強(qiáng)教學(xué)效果[5];不需要專門的實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備器材等，而且軟件設(shè)計(jì)方便反復(fù)查錯(cuò)和修改，節(jié)約了大量的教學(xué)資源，同時(shí)避免了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中發(fā)生危險(xiǎn)。新的軟件設(shè)計(jì)方式加快了電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程、縮短了設(shè)計(jì)周期，學(xué)生可以更加專注于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不斷提出產(chǎn)品的改進(jìn)和創(chuàng)新，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

Proteus是“電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)”課程所用主要的應(yīng)用工具。Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司開發(fā)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation，EDA）軟件，從原理圖到代碼調(diào)試，再到CPU與外圍電路的協(xié)同仿真，實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。Proteus支持IAR（Ingenj?rsfirman Anders Rundgren）、Keil、Matlab等多種編譯器。

2 案例教學(xué)模式

下面通過案例來討論教學(xué)模式的改革。流水燈系統(tǒng)是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的經(jīng)典入門案例，學(xué)習(xí)該系統(tǒng)，可以使學(xué)生掌握電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思路、流程、方法及具體的設(shè)計(jì)技巧[6]。

2.1 概念及原理

流水燈是一組燈，通過程序控制這組燈按照指定的規(guī)律發(fā)光和熄滅，形成的流動(dòng)視覺效果如行云流水一般，故名流水燈。這里的燈是LED（Light Emitting Diode，發(fā)光二極管）燈，如圖1所示，其中（a）是電子設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)用的指示燈，（b）是許多燈珠組合而成的LED燈，（c）是簡易節(jié)能LED燈泡，（d）是目前家庭客廳或場所照明常用吸頂燈，（e）是街頭LED廣告牌。LED是半導(dǎo)體二極管的一種，由一個(gè)PN結(jié)組成，當(dāng)給其加上正向電壓后，從P區(qū)過來的空穴在PN結(jié)附近與N區(qū)的電子復(fù)合，從N區(qū)過來的電子在PN結(jié)附近與P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同材料中空穴和電子的能量狀態(tài)不同，在復(fù)合時(shí)發(fā)出的能量多少也不同，于時(shí)發(fā)出光的波長不同，進(jìn)而有了各種顏色的發(fā)光二極管，如紅（砷化鎵）、綠（磷化鎵）、黃（碳化硅）、藍(lán)（氮化鎵）等。但是，沒有一種材料可以發(fā)出白光。2014年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中村修二博士發(fā)明了藍(lán)光LED，為白光LED奠定了基礎(chǔ)，即在原來PN結(jié)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)熒光粉涂層，反射的黃光與原來的藍(lán)光混合后產(chǎn)生了白光。

流水燈系統(tǒng)的功能是若干個(gè)LED燈按照一定的規(guī)律交替亮滅。設(shè)計(jì)原理分析如下：LED燈的正負(fù)級通電可以發(fā)亮，斷電可以熄滅，所以需要控制通過LED 燈的電流有無，可以采用最常用的51單片機(jī)來進(jìn)行控制。為了簡化控制，可以使若干個(gè)燈的正極統(tǒng)一接電源，負(fù)極分別接到單片機(jī)的某些I/O口。通過代碼來控制單片機(jī)相應(yīng)I/O口的輸出電平高低，使得所接LED燈時(shí)而有電流通過（亮）、時(shí)而無電流通過（滅），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流水燈的功能。

2.2 設(shè)計(jì)流程

如同計(jì)算機(jī)包含軟硬件一樣，電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也包括軟硬件兩部分，共同配合來完成電子產(chǎn)品的功能。硬件部分就是在Proteus工具下進(jìn)行的工程開發(fā)，包括元器件選型和布局、原理圖布線、加載程序運(yùn)行、錯(cuò)誤檢查和修正等，工程設(shè)計(jì)的詳細(xì)流程如圖2（a）所示。軟件部分選用keil μVision工具進(jìn)行C語言的編碼和調(diào)試，包括新建項(xiàng)目和文件、處理器選擇、設(shè)置編譯環(huán)境、編寫代碼反復(fù)調(diào)試，編碼設(shè)計(jì)的詳細(xì)流程如圖2（b）所示。軟件調(diào)試通過的代碼要加載到工程中去檢測是否完成所需的功能，即圖2（a）中“Load Program”步驟。如果不能完成指定的功能，需要回溯調(diào)試各個(gè)部分，包括元件選型、電路連接以及軟件編碼，反復(fù)調(diào)試直到成功。

2.3 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

在教學(xué)過程中，要注重把握案例教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的教學(xué)中，重點(diǎn)是讓學(xué)生通過案例的學(xué)習(xí)掌握整個(gè)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程。難點(diǎn)之一是功能分析和原理設(shè)計(jì)，難點(diǎn)之二是實(shí)現(xiàn)代碼。在教學(xué)過程中，要提醒學(xué)生注意一些操作細(xì)節(jié)，避免彎路和錯(cuò)路。比如工程開發(fā)中的CPU 選型與代碼設(shè)計(jì)中的處理器選型要一致;發(fā)光二級管的方向不要弄錯(cuò)，軟件中可以通過空格鍵來調(diào)整方向等。

在教學(xué)過程中，要注意與實(shí)踐相結(jié)合。①二極管是有方向性的，無論是在原理設(shè)計(jì)還是在實(shí)踐焊接中，都要注意不要把正負(fù)極方向搞錯(cuò)。②普通二極管在導(dǎo)通之后，所分得的電壓一般為0.7V;發(fā)光二極管在導(dǎo)通之后，所分得的電壓一般是1～2V，電流值為5～20mA，如果電流小于5mA，發(fā)光二極管將不會(huì)被點(diǎn)亮，如果大于20mA，發(fā)光二極管將會(huì)損壞;而單片機(jī)I/O口的電壓通常為5V，所以在設(shè)計(jì)過程中，要注意加上一個(gè)分壓電阻，通常選用在實(shí)踐中常用的220歐姆電阻。

2.4 案例實(shí)踐

流水燈系統(tǒng)所需元件不多，清單如表1所示。

本例采用四個(gè)流水燈，設(shè)計(jì)好的原理圖連接如圖3或4所示。圖3或圖4的區(qū)別在于器件布線時(shí)是否采用總線方式，圖3是直連，圖4采用了總線連接。直連方向由于是兩個(gè)引腳間直接相連，所以不必標(biāo)注每條連續(xù)的名稱;總線連接則不同，必須詳細(xì)標(biāo)注每條線的名稱，因?yàn)樗鼈兘y(tǒng)一接入了總線，如果不標(biāo)示清楚，則系統(tǒng)不知道哪兩條線是對應(yīng)連接的，會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)功能出錯(cuò)。

C代碼實(shí)現(xiàn)如下：

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

sbit P10=P1^0;

sbit P11=P1^1;

sbit P12=P1^2;

sbit P13=P1^3;

void delay（uint x）

{

uchar tw;

while（x-->0）

{

for（tw=0;tw<125;tw++）;

}

}

void main（void）

{

P1=0xff;

delay（100）;

P10=0;

delay（100）;

P10=1;

P11=0;

delay（100）;

P11=1;

P12=0;

delay（100）;

P12=1;

P13=0;

delay（100）;

}

其中頭文件中包含了單片機(jī)中的各種端口和寄存器的定義，delay函數(shù)是延時(shí)函數(shù)，用來延緩流水燈的亮滅過程，使人眼能夠清晰地分辯。sbit P10=P1^0;是單片機(jī)的位操作，每位用來控制一個(gè)LED燈。

以上是通過案例教學(xué)來探討教學(xué)模式改革，這種方式趣味性強(qiáng)，使學(xué)生擺脫了枯燥的理論學(xué)習(xí)，快速看到運(yùn)行結(jié)果使學(xué)生獲得一種成就感。而且，這種方式讓學(xué)生專注于設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，不斷創(chuàng)新，開發(fā)出自己的電子產(chǎn)品。以下展示部分學(xué)生作品。

3 教學(xué)效果展示

圖5所示是一個(gè)花式流水燈系統(tǒng)。該同學(xué)在教學(xué)案例的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新如下：①花式流水燈采用8個(gè)，流水燈由原來的共電源改為自己的共地;②在案例基礎(chǔ)上增加了時(shí)鐘電路和可以交互的復(fù)位電路;③流水花樣繁多，由單一的從上到下流動(dòng)改為上下雙向流動(dòng)加不同燈數(shù)閃爍不同次數(shù)，而且把自己的學(xué)號應(yīng)用于燈數(shù)和閃爍次數(shù)上。

圖6所示是一個(gè)音樂播放系統(tǒng)，原理圖非常簡單，只在單片機(jī)的P1.3口上接了一個(gè)揚(yáng)聲器Sounder，該同學(xué)的創(chuàng)新和難點(diǎn)在于代碼部分。

void Buzzer（int Tone，int Beat）

{

int i=0;

Beat_val=Beat;

EA=1;

while（Beat_val>0）

{

Beep=1;

i=Tone;

while（i）

{

i--;

}

Beep=0;

i=Tone;

while（i）

{

i--;

}

}

EA=0;

}

其中Tone參數(shù)用于控制音調(diào)，Beat參數(shù)用于控制節(jié)拍，寫出不同的音調(diào)、節(jié)拍數(shù)組，就可以播放不同的音樂。

圖7所示的是一個(gè)交通燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)的創(chuàng)新和難點(diǎn)在于把發(fā)光二極管和七段數(shù)碼結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了具有現(xiàn)實(shí)意義功能的交通燈。該系統(tǒng)模擬了一個(gè)十字路口四個(gè)方向的紅綠燈運(yùn)行情況，設(shè)定了3秒的黃燈時(shí)間，另一個(gè)方向在黃燈結(jié)束1秒之后紅燈變?yōu)榫G燈，截圖正是水平方向黃燈即將結(jié)束時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)。

圖8所示為一個(gè)8*8點(diǎn)陣的顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用了排阻，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)在于實(shí)際使用的點(diǎn)陣各引腳順序不是有序排列的。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯示了0、1、2…9，A、B…F的十六進(jìn)制數(shù)，心型等圖案以及一些漢字。截圖是顯示中國的“中”字運(yùn)行效果圖。

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程教學(xué)方式的不足，提出基于電子設(shè)計(jì)軟件的案例式教學(xué)模式，通過案例教學(xué)使學(xué)生掌握電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程和方法，專注于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新和改進(jìn)。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，該模式教學(xué)效果良好，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)思維。我們下一步的研究方向和目標(biāo)為進(jìn)一步深化課程改革的模式，擴(kuò)大課程改革的范圍，推進(jìn)課程改革的應(yīng)用，希望為雙創(chuàng)環(huán)境提供一大批創(chuàng)新型人才。

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