计算机专业数字电子技术课程项目实训研究

郭立强

摘 要：针对数字电路课程在传统教学过程中重理论轻实验的问题，分析传统的以理论教学为中心这一授课模式的优缺点，提出适合于计算机专业的数字电子技术课程项目实训方案，以项目实训来引导学生进行课程学习，培养学生的应用实践能力。

关键词：数字电子技术；项目实训；教学改革

0 引 言

数字电路是计算机科学技术、软件工程和物联网工程等相关计算机专业的基础课。作为计算机专业电类入门课程之一，是传统电路分析和模拟电子技术基础这两门课的后续课程，在整个计算机专业的人才培养体系中有着十分重要的地位。通过课程教学使学生掌握数字电路的基本理论，能够对典型的数字逻辑电路进行分析与设计，同时使学生具备良好的实践能力，为后续专业课打下良好的基础 。

然而，实际的教学状况并不乐观。通过教学反馈，大部分学生认为数字电子技术这门课的理论偏多，实验课上只是用仿真软件来模拟，缺乏实践机会。整个学期结束后连最基本的电子元件都没看到，更无法去认识以及使用元器件了。

目前很多高校计算机专业数字电子技术这门课的授课方法是理论讲授加上机实验的模式，其中，上机实验是通过EDA仿真软件进行实验仿真。从教学的角度来讲，用软件模拟的方式来替代硬件实验是很方便，但脱离了实际硬件实验的课程讲授并不形象直观，失去了电子技术的趣味性，学生学起来自然没有劲头。尽管传统教学方法对理论知识的掌握这一目标的达成具有一定的效果，然而这么做无助于使学生具备实际硬件故障检测、分析和排除的能力。计算机专业数字电子技术课程的教学方法仍有很大的提升空间。

目前，关于计算机专业数字电子技术这门课的教改论文鲜有文献报道，现有文献都是计算机专业与本课程相关的其他的电类课程教改方案[1-6]。目前数字电子技术这门课的教改方案多数是针对电气工程、电子通信等相关专业，如文献[7]中实施的实践教学方案、华中科技大学电子与信息工程系针对数理提高班学生进行的教学改革[8]、文献[9]中进行的按需施教的教学方法等。这些教学改革方法对计算机专业电子技术课程的教学与改革具有一定的借鉴意义。

1 项目实训的设置

基于项目实训的数字电路课程教学方案研究旨在提高学生对这门课的认同感，把课程的教学重心向项目实训上倾斜，通过学习使学生真正具备良好的工程实践能力。我们设计开发了“数字电子钟”项目实训平台，教学过程除了进行必要的理论教学，更多地借助该项目实训平台进行专业知识的讲授，激发学生发现问题、分析问题以及解决问题的能力。同时，留给学生足够的想象空间，通过一系列工程问题的分析与解决，使学生真正体会到电子技术的趣味性，更好地激发学生学习兴趣，不断满足应用实践性人才的培养需求。

项目实训的目标是通过项目任务的完成来实现对书本知识的学习与掌握。一方面，项目实训要能够涵盖整个理论教学的知识点；另一方面，通过项目实训培养了学生的实践创新能力。在实际的操作过程中会发现项目实训不可能涵盖所有的知识点，只能涉及核心知识点。例如，本门课的核心是组合逻辑电路和时序逻辑电路的分析与设计，实践项目必须包括这两大核心内容。对于基础逻辑门电路、脉冲波形的产生与变换、模数及数模转换等内容还是要借助仿真软件来实现。在整个项目实训的过程中，要以硬件实训为主、软件仿真为辅的教学模式来进行。

通过项目实训这一教学载体来激发学生的学习兴趣，通过项目的完成间接地实现知识的学习与掌握。在设计项目时首先对教材的知识点进行梳理，区分出哪些知识点是可以用仿真软件来模拟，哪些是需要硬件实验来完成。同时，项目的确定要具有一定的综合性和趣味性。根据本门课的教学内容确立以数字电子钟的设计为项目实训的切入点。数字钟的电路结构如图1所示，该项目涵盖了本门课的核心知识点。

图2是笔者开发的项目实训电子套件的硬件电路板。七段数码管用于显示时间，而驱动数码管工作的是译码显示电路单元。显示译码器是这一单元的核心器件，该单元电路的设计属于典型的组合逻辑电路分析与设计的内容。数字钟主要是实现24进制和60进制计数，而计数器的设计是典型的时序逻辑电路的内容。接下来就是时钟信号源电路，时钟电路的标准1Hz信号的实现可以采用多种方案：采用555定时器，但缺点是精度不高；或采用由晶振和分频计数器芯片来实现。本实训套件采用了后者方案，在具体的实现过程中还用到D触发器进行二分频，这部分内容也涉及時序逻辑电路的分析与设计。最后是一些辅助电路，如电源电路、校时电路等。

2 项目实训的实施

对于学过数字电子技术这门课的学生而言，如果让他们直接面对包含十几个芯片的数字电子钟硬件电路板，会使他们感觉理论上难于理解，实现上也会比较困难。为了减轻学生的心理负担，笔者采用项目分解的方式，在整个教学过程中采用逐步渗透的方法，以教材中知识的呈现顺序，把整个数字电子钟项目进行很自然的分解。本着由浅入深、循序渐进的基本原则，笔者把数字电子钟项目分解成如下子项目单元：显示译码单元；计数器设计单元；1Hz信号单元；辅助电路单元。

在讲解组合逻辑电路的分析与设计这一章节时，需要学生完成显示译码单元这一子项目。教材中在介绍这部分内容时采用的是74LS47、74LS48芯片。教学过程中要讲清楚如何使用相关芯片及数码管来搭建显示译码电路。图2中的实训套件则采用CD4543芯片，一方面考虑价格因素，另一方面CD4543芯片的性能要优于74LS47、74LS48芯片。在项目实训中，要求学生学会去查阅CD4543芯片的Datasheet，熟悉该芯片的引脚功能，然后用该芯片来驱动共阴极数码管，通过EDA软件来实现译码显示电路。通过这一子项目的完成使学生理解数码管显示的基本原理，同时，初步掌握组合逻辑电路设计的基本方法。

在讲解时序逻辑电路时需要学生完成计数器单元和1Hz信号单元电路的设计，而计数器设计子项目是整个项目实训的核心内容。最初的方案是采用具有计数和译码显示为一体的芯片（CD4026或者CD40110），这一方案可以使整个硬件电路大为化简，焊接成功率高，然而这么做学生不能很好地理解显示译码电路的原理。本着使学生掌握知识的角度，我们还是采用了显示译码与计数单元分开的设计方法。计数器采用74LS161芯片，通过适当的基础逻辑门电路，应用复位法和置位法来实现任意进制计数器的设计。计数器单元的设计灵活度大，实现的方案比较多，可以充分调动学生的主观能动性。通过这一子项目的训练使学生掌握任意进制计数器设计的基本原理，掌握时序逻辑电路的分析与设计方法。

接下来就是1Hz信号单元设计子项目。该子项目涉及触发器、脉冲波形的产生与变换以及分频计数等相关知识。这一子项目要求学生能够使用32768Hz的晶振、CD4060分频计数器、触发器以及其他元器件来设计标准时钟信号电路。这一子项目的实施重点是使学生掌握分频计数器和触发器的使用，让学生理解计数器的分频作用，也使学生理解为什么采用晶振电路而不是555计时芯片。同时，还可以给学生布置基于555芯片的1Hz信号生成电路。

最后就是辅助电路子项目的实施，主要是设计校时电路和辅助电源电路。这一子项目主要让学生掌握利用开关二极管、电阻及电容等元件实现上升沿时钟脉冲产生的方法。为了便于使用，该实验平台采用了USB供电的方案。电源辅助电路只是加入了滤波电容、电源指示电路以及电源开关。

通过把上述几个子项目整合在一起形成一个完整的数字电子钟项目。笔者在教学过程中，理论知识的讲授都是围绕上述子项目展开。前期通过EDA软件把整个数字电子钟项目进行仿真并整合，使学生充分理解数字电子钟的原理，然后在笔者所开发的硬件电路板上进行实际的硬件焊接。图3是学生焊接出来的成品图。

焊接过程中，芯片并不是直接焊接在PCB上，而是先焊接芯片插座，然后把芯片插到插座上，这样防止学生焊接操作不当造成的芯片损坏。通过这一项目的实训，学生既掌握了理论，又提升了实际的动手能力，而且完成电路焊接后学生很有成就感，对这门课的学习产生了浓厚的兴趣。

3 结 语

数字电子技术课程的项目实训教学方法是一种基于建构主义学习理论的一种教学模式。在具体的教学实施过程中要注重有效地激发学生学习热情，突出理论与实践緊密结合，引导学生在分析解决问题过程中不死板、不循规蹈矩，勇于创新。通过几年的教学实践与反思，项目实训教学方法既锻炼了学生思考问题的能力，又通过项目导向挖掘学生的内在学习动力，培养了实践能力。

参考文献：

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[8] 邓天平， 张林.“电子技术基础”课程改革的探索[J]. 电气电子教学学报， 2014， 36（5）： 24-26.

[9] 王美玲， 刘伟， 王波， 等. 电气专业“电子技术基础”课程教改探索[J]. 电气电子教学学报， 2016， 38（2）： 46-49.

（编辑：郭田珍）