應(yīng)用型本科“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)改革研究

司慧玲

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451100）

應(yīng)用技術(shù)型普通本科院校主要突出應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)教育，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐創(chuàng)造能力的高素質(zhì)應(yīng)用型高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才。數(shù)字電子技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)中具有不可替代的作用。“數(shù)字電子技術(shù)”是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，從基礎(chǔ)知識(shí)到分立元器件，再到中規(guī)模組合邏輯器件和時(shí)序邏輯器件，內(nèi)容較多，同時(shí)課程授課時(shí)間比較緊張，就會(huì)存在理論教學(xué)中以授課為主、后面形成教師為教而教地趕進(jìn)度、知識(shí)之間脫節(jié)等現(xiàn)象，即使教師有心在課堂上要利用仿真軟件直觀(guān)演示，但已經(jīng)沒(méi)有精力和時(shí)間來(lái)分配，學(xué)生方面也只能被動(dòng)地聽(tīng)，然后去實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，形成“理論講解”和“實(shí)踐演示”的分段教學(xué)，教師疲于教和學(xué)生疲于學(xué)，最終導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)完課程內(nèi)容后并不能形成完整的知識(shí)體系，不能很好地應(yīng)用于實(shí)踐，教學(xué)效果大打折扣，更談不上能力的培養(yǎng)。下面以項(xiàng)目“數(shù)字搶答器電路”談?wù)劇皵?shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)的改革思路。

1 項(xiàng)目的選取

授課教師在項(xiàng)目選取上一定要選難易適中，并且知識(shí)點(diǎn)綜合性較強(qiáng)的案例，如八路數(shù)字搶答電路，如圖1 所示。選取該電路有諸多優(yōu)點(diǎn)，具體如下：①學(xué)生對(duì)實(shí)際生活中的搶答現(xiàn)象比較熟悉，所以該電路可以引起學(xué)生的共鳴，參與課堂的討論，繼而在內(nèi)容學(xué)習(xí)之前已經(jīng)很大程度上激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而也不再覺(jué)得學(xué)習(xí)元器件是很枯燥的事情；②該電路對(duì)于初學(xué)集成器件的學(xué)生來(lái)說(shuō)，難度適中，并不會(huì)讓學(xué)生一看到電路就有被嚇退的感覺(jué)，并且學(xué)生會(huì)有一種急于探索搶答功能是如何實(shí)現(xiàn)的心情，主動(dòng)參與到下一步的學(xué)習(xí)中來(lái)；③該電路綜合性較強(qiáng)，綜合了中規(guī)模組合邏輯器件中的8-3 線(xiàn)編碼器74HC148、顯示譯碼器74HC4511、鎖存器和數(shù)碼管顯示電路等數(shù)字電路設(shè)計(jì)中常用的內(nèi)容；④可以通過(guò)該電路分析，初步培養(yǎng)學(xué)生分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)建立整體意識(shí)，認(rèn)識(shí)到數(shù)字電路的魅力；⑤引入Proteus仿真軟件，學(xué)生在學(xué)習(xí)理論內(nèi)容的同時(shí)，也熟悉了一種仿真軟件，讓學(xué)生清楚看到在學(xué)習(xí)過(guò)程中很多情況下要借助工具來(lái)驗(yàn)證我們的設(shè)計(jì)才能最終實(shí)現(xiàn)目的，而且該軟件也會(huì)在以后的單片機(jī)技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程中應(yīng)用，為后面專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)或?qū)W習(xí)其他軟件工具打下良好的基礎(chǔ)。

圖1 八路數(shù)字搶答電路

2 項(xiàng)目實(shí)施

2.1 電路功能

讓學(xué)生充分討論該電路所要實(shí)現(xiàn)的具體功能，通過(guò)討論活躍課堂氣氛，聯(lián)系實(shí)際生活中的搶答用途，設(shè)置一系列問(wèn)題讓學(xué)生思考，在實(shí)際應(yīng)用中是否要有主持人控制開(kāi)關(guān)？搶答開(kāi)始時(shí)，如果其中一路搶答到，其他七路是否還能繼續(xù)按按鍵進(jìn)行搶答？搶答過(guò)程中，數(shù)碼管顯示應(yīng)該是如何工作的？最終確定電路能完成八路搶答功能是當(dāng)主持人控制開(kāi)關(guān)，控制為開(kāi)始時(shí)，選手開(kāi)始搶答，當(dāng)某一路搶答到，如S6 搶到，則數(shù)碼管顯示6，隨后其他任意一路再進(jìn)行搶答時(shí)均無(wú)效，本輪結(jié)束后，由主持人清除后，搶答電路復(fù)位，即可進(jìn)行下一輪搶答。同時(shí)用Proteus 仿真軟件來(lái)演示該功能，學(xué)生直觀(guān)觀(guān)察電路功能，S6 按鍵先按下時(shí)搶答電路如圖2 所示；此時(shí)假設(shè)S0 再按下，搶答無(wú)效，如圖3 所示。

圖2 S6 按鍵先按下時(shí)搶答電路

圖3 S0 按鍵再按下?lián)尨痣娐窡o(wú)效

2.2 各模塊分析

2.2.1 編碼模塊

課堂上讓學(xué)生百度查找74HC148 功能，引導(dǎo)學(xué)生查找并閱讀文獻(xiàn)資料，培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)能力，這也是培養(yǎng)大學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力非常關(guān)鍵的一步，學(xué)生只有會(huì)查閱大量的文獻(xiàn)，然后才能增加自己的知識(shí)儲(chǔ)備，從而進(jìn)行創(chuàng)新。學(xué)生查找74HC148 中文資料，從中找到其功能表，如圖4 所示。有時(shí)資料中的介紹和仿真軟件中邏輯圖引腳命名雖有所不同，但功能是一樣的，EⅠ為控制端，低電平有效，即當(dāng)EⅠ輸入端為低電平時(shí)74HC148 正常工作，能正常編碼，在該電路中輸入端能夠進(jìn)行搶答，芯片有相應(yīng)的輸出；否則芯片禁止工作，搶答無(wú)效，芯片輸出端全部為高電平。編碼正常工作時(shí)，搶答的八路輸入Ⅰ0—Ⅰ7 為低電平有效，有相應(yīng)的編碼輸出，如當(dāng)S6 按鍵按下時(shí)，Ⅰ6 輸入為低電平，編碼輸出A2A1A0 為001，其為反碼輸出，原碼為110，此時(shí)GS 輸出為低電平。

圖4 74HC148 功能

2.2.2 鎖存器電路

學(xué)生百度查找74HC279 功能，可以查到其引腳圖和功能表等，查到的功能如圖5 所示，它集成了4 個(gè)與非門(mén)組成的基本RS 觸發(fā)器，因此引出與非門(mén)結(jié)構(gòu)的基本RS 觸發(fā)器的功能分析，輸入低電平有效，功能有保持、置零、置位3 種，結(jié)合與非門(mén)電路和功能表進(jìn)行理解。

圖5 74HC279 功能

在搶答器電路中，進(jìn)一步理解74HC148 和74HC279 的級(jí)聯(lián)。因主持人開(kāi)關(guān)在上側(cè)，74HC279 的1R—4R 輸入端均接高電平，而編碼器輸出A2A1A0的001 和GS 輸出的低電平送至鎖存器，所以74HC279的4S 為0，3S2S1S 為001，所以鎖存器的輸出4Q 為1，3Q2Q1Q 為110，同時(shí)4Q 的高電平反饋到74HC148的EⅠ輸入端，編碼器停止工作。

2.2.3 譯碼顯示模塊

該模塊完成搶答的譯碼和顯示功能，通過(guò)閱讀文獻(xiàn)查找顯示譯碼器74HC4511 和七段數(shù)碼管的邏輯圖和功能。學(xué)生首先要理解七段數(shù)碼管的顯示原理，如何使用是重點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中分共陰和共陽(yáng)2 種，共陰的公共端接低電平，每段需高電平點(diǎn)亮；共陽(yáng)的公共端接高電平，每段需低電平點(diǎn)亮。其次理解74HC4511的譯碼功能，主要理解對(duì)8421BCD 的譯碼功能，其控制端的控制功能，強(qiáng)調(diào)該顯示譯碼器是輸出高電平有效的譯碼器，也即輸出高電平去點(diǎn)亮數(shù)碼管的相應(yīng)字段，那么提出問(wèn)題讓學(xué)生思考，使用時(shí)是選用共陰的還是共陽(yáng)的數(shù)碼管？然后進(jìn)行擴(kuò)展，顯示譯碼器也有輸出低電平有效的，那么選用時(shí)注意配用關(guān)系，否則電路設(shè)計(jì)就會(huì)出錯(cuò)，所以在該搶答電路中，就選用的是共陰數(shù)碼管。最后，完成二者之間的級(jí)聯(lián)，只需將每一段分別連接即可，但使用中注意要用限流電阻，否則數(shù)碼管容易燒壞，在此就強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中要從實(shí)際出發(fā)，不能滿(mǎn)足于理論分析即可。

那么74HC4511 如何和前一級(jí)電路74HC279 的輸出進(jìn)行級(jí)聯(lián)呢？將74HC279 的輸出3Q、2Q、1Q 分別連接到74HC4511 的C、B、A 端，D 端直接接低電平，74HC4511 的控制端接有效電平才能正常譯碼，這里的問(wèn)題是其BⅠ輸入端的處理，為什么要和前一級(jí)的4Q連在一起呢？學(xué)生要進(jìn)一步思考加以分析才能解開(kāi)謎底，當(dāng)4Q 的高電平反饋到74HC148 芯片的控制端EⅠ的同時(shí)，也即編碼器不工作，而譯碼器滿(mǎn)足了工作條件，正常譯碼，對(duì)輸入端D、C、B、A 的8421BCD碼0110 進(jìn)行譯碼，從而使得數(shù)碼管顯示6 數(shù)字。

系統(tǒng)分析到這里，看似已經(jīng)完成，實(shí)則并未透徹，在編碼器收到反饋信號(hào)的控制不工作時(shí)，74HC148 的輸出也發(fā)生了變化，那么會(huì)不會(huì)因此影響到整個(gè)電路的輸出呢？當(dāng)74HC148 不工作時(shí)，輸出端全部為高電平，鎖存器74HC279 在輸入端全部為高電平時(shí)是保持功能，因此鎖存器的輸出保持狀態(tài)，那么后面的電路信號(hào)都將保持不變。無(wú)論其他七路如何搶答，數(shù)碼管仍然只顯示6 不變。

學(xué)生在教師的一步步引導(dǎo)下，不斷地去探尋電路內(nèi)部信號(hào)的控制，在解決一個(gè)又一個(gè)問(wèn)題中獲得知識(shí)的滿(mǎn)足感，學(xué)習(xí)的興趣會(huì)越來(lái)越濃厚。

2.2.4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

通過(guò)搶答器電路分析，把相關(guān)的理論知識(shí)一環(huán)接一環(huán)地學(xué)習(xí)到位，并且已經(jīng)把所學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化，而且也學(xué)會(huì)了舉一反三。但結(jié)果的正確與否是需要調(diào)試的，對(duì)于還沒(méi)有開(kāi)展專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，這些都是全新內(nèi)容，大學(xué)的專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)中，也會(huì)用到仿真軟件，當(dāng)然工具有很多種，不必拘泥于一種，如Proteus、Multisim、Protel 等專(zhuān)業(yè)軟件都是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)在學(xué)習(xí)中將會(huì)使用的，通過(guò)介紹拓寬學(xué)生的視野，在課上引導(dǎo)學(xué)會(huì)一種，課下自學(xué)其他，從而培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。在用Proteus 進(jìn)行搶答器電路仿真中，用到的庫(kù)中元器件如圖6 所示。

圖6 搶答器電路元器件

電路設(shè)計(jì)并非一種方案，也有很多種其他思路，讓學(xué)生利用課外時(shí)間分組去探索其他的設(shè)計(jì)方案或者嘗試進(jìn)行一些其他的數(shù)字電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行軟件仿真調(diào)試；并且學(xué)生也需要進(jìn)一步完成實(shí)物的搭建和調(diào)試，在完成實(shí)物的過(guò)程中，又會(huì)遇到很多實(shí)際的問(wèn)題，比如手邊沒(méi)有現(xiàn)有的元器件，能否用其他元器件代替，也需要走線(xiàn)和焊接多方面的知識(shí)，完成的過(guò)程需要組內(nèi)成員團(tuán)結(jié)協(xié)作，不但培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，也培養(yǎng)學(xué)生之間的團(tuán)結(jié)協(xié)作和溝通能力。

3 結(jié)語(yǔ)

在“數(shù)字電子技術(shù)”課程的教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)從整體上把握數(shù)字電子基礎(chǔ)課程前后之間的聯(lián)系，形成整體，選取比較典型的綜合性項(xiàng)目引入教學(xué)，將從元器件學(xué)習(xí)到單元電路的學(xué)習(xí)，最終再到系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，形成整體意識(shí)，從而優(yōu)化了課程內(nèi)容，能在有限的時(shí)間內(nèi)使得學(xué)生把握住了重點(diǎn)，也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)數(shù)字系統(tǒng)整體的分析和設(shè)計(jì)能力，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，完成應(yīng)用型本科學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)。