新工科背景下混合式创新教学在数字电子课程中的应用探索

董玉冰，李明晶

(长春大学 电子信息工程学院，长春 130022)

新工科背景下混合式创新教学在数字电子课程中的应用探索

董玉冰，李明晶

(长春大学 电子信息工程学院，长春 130022)

在新工科的背景下，详尽地诠释了新工科的5个新的内涵，为了更好地进行创新工程教育，在数字电子技术课程中提出了混合式创新教学方法。此教学方法采用Multisim软件进行电路的设计、仿真和制作，为学生的工程实践打下基础。实践证明，此教学方法在数字电子技术课程教学中充分发挥了学生的主观能动性和创新性，适合新工科背景下创新工程教育，对培养优秀的工程创新人才具有重要的意义。

新工科；数字电子技术；Multisim仿真软件；项目情境

随着教育部《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》的发布，各地高校开展了新工科的研究实践活动，深化工程教育改革，推进新工科的建设与发展。在“复旦共识”、“天大行动”、“北京指南”后，全国各个高校也开启了新工科的篇章。新工科的5个新，即工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系。在5个新的指导下，数字电子技术课程现有的教学方法已不能适应新工科背景下创新工程教育的要求。在此背景下，本文提出了Multisim软件仿真技术和项目情境教学法相融合的混合式创新教学方法，以推进新工科背景下创新工程教育对工程人才的培养。

1 项目情境教学法

项目教学法起源于美国，盛行于德国。项目教学法就是在教师对课程内容应用场合的划分下，以做项目的形式，指导学生进行理论相关内容的学习。然后，引导学生进行项目的开发，由学生进行理论知识的汇总、方案的设计、项目制作及最终评价。

情境教学法是指在教学过程中，教师根据学生的关注点、兴趣爱好等有目的地引入或创设具有一定情绪色彩的、以形象为主体的生动具体的情境，以引起学生提高参与教学的热情。

项目情境教学法，是项目教学法和情境教学法相融合，是通过“项目”来设置“模拟情境”开展课程教学，实现课程教学目标。在教学中采用基于问题学习，基于资源学习的项目情境教学方法，使学生“从做中学”。为此，要以项目为载体重构数字电子技术课程知识体系，每个学习情境均是一个项目完整的工作过程，又由多个子项目构成，子项目也是一个完整和相对独立的工作过程。学习情境的最后一个子项目又是一个涵盖前几个子项目内容的综合性项目。每个项目及子项目之间由简单到复杂、由低级到高级、由单一到综合。

2 Multisim可视化教学法

Multisim是业界一流的SPICE仿真标准环境，它是美国国家仪器有限公司(NI公司)电路电子教学解决方案的重要基础,可通过设计、原型开发、电子电路测试等实践操作来提高学生的技能。在设计过程中，Multisim软件可以使原型迭代次数降低，并能帮助设计者及时、有效地对印刷电路板(PCB)的设计进行优化。NI公司还开发了为电路、电子等相关内容课程的Multisim软件教学版，使学生能够在理论、设计、仿真、调试、制作之间进行无缝连接。 不管采用那种形式的教学模式，Multisim软件的引入为教学提供了丰富的资源，突显了如下优势：

(1)建立了图形化和可视化的电子电路理论知识。电子电路涉及到不同种类的元器件、分立电路和品种繁多的集成芯片，枯燥的物理知识、复杂和庞大的内部原理电路，让学生望而止步，无兴趣参与电路的设计。而Multisim软件建立的交互式、图形化的界面，从而可视化了理论知识，有利于学生加深对理论知识点的掌握。对于教师而言，凭借Multisim软件强大的元器件库和智能连线可使教师快速、容易地进行课内教学和课外作业所需的电路图的绘制及设计。另外，Multisim软件具有20多种虚拟仪器和多种厂家的实体仪器，用于可视化电路参数的调整对信号的影响，例如用虚拟示波器观察实时调整555定时器组成多谐振荡器的电阻阻值或电容容值对输出波形的频率、占空比等参数的影响。

(2)提供SPICE多种仿真分析，深入剖析电路的状况。Multisim软件提供了20种不同的分析方法，包括基本分析方法和高级分析方法，有助于学生熟悉电路的基本状况、性能、测量和分析电路的各种响应。

(3)集成了NI公司硬件教学平台，使仿真和实践结果同现。Multisim软件与NI 公司的myDAQ和ELVIS硬件平台无缝集成，实现了同一条件下，仿真结果和实践结果的对比，更有利于电路设计中参数的选择和调整。

(4)加速了项目的设计、仿真和制作。学生在不断积累工程知识，承担各种设计任务，需要借助不同的设计软件和设计工具相结合来实现。所有的设计软件的设计环境都是大同小异的，掌握了其中的一种，其余的都会触类旁通的。Multisim软件的学习有利于学生对其他设计软件的掌握。另外，Multisim和Ultiboard软件的工具是在同一工具链中，有助于学生快速、有效开展电路设计、仿真和原型开发。

除了以上Multisim软件在教学应用上的优势外， Multisim软件还为数字电子技术课程教学提供了逻辑门、计数器和微控制器，以辅助与逻辑代数相关的数字电子内容的教学。为了避免学习难懂的编程语法，可通过把专业的可编程逻辑器件原理图，以数字逻辑门电路的形式转换成VHDL语言，部署到DIGILENT子公司开发的FPGA硬件上，进行数字电路的相关知识的学习。因此，在数字电子技术课程中引入Multisim软件，是在项目情景教学法的基础之上，实现项目情景中的子项目和整体项目的电路设计，并进行调试和仿真，得到正确、完整的电路，然后进行实际电路的制作。

3 混合式创新教学方法

采用Multisim软件仿真技术和项目情境教学方法相融合的混合式创新教学方法，把数字电子技术中的教学过程分成两部分。第一部分，以项目为载体，设置模拟情境，重构知识体系。数字电子技术课程内容以智力竞赛抢答器、数字电子钟、数字频率计、自动售货机等项目为载体进行重构。理论知识点以项目为依据进行子项目划分，例如：计数电路子项目、译码电路子项目、显示电路子项目等等。第二部分，采用Multisim软件对子项目进行设计、仿真和制作。按照数字电子技术课程的知识体系，引入计算机仿真技术Multisim软件，建立项目电路的设计和仿真。例如：项目为设计2人抢答器，在此背景下引出本节课所要讲授的知识点基本RS触发器，讲授完后利用Multisim软件设计并仿真项目。设置情境，如果抢答的人多怎么办，如果需要计时抢答怎么办……学生由被动记忆RS触发器电路和真值表转变为主动探索各种触发器功能。模拟情境的设置，使学生遐想连篇，激发学生学习的主观能动性。

数字电子技术教学中采用混合式创新教学方法，可以完美地解决数字电子技术教学中的如下问题：①可以解决理论教学中，课时少和内容多的矛盾。采用项目式教学，通过对知识点的整合，大大节约了课时量。②可以减小实验教学投入，降低实验成本。Multisim软件器件库中有常用的大量仪器设备、元器件、芯片和模块等，可以开展验证性、设计性和综合性实验，无需增加实验器材的投入，也为各种竞赛和开放性实验搭建了平台。③保证实验的高真实性。Multisim软件仿真技术的应用可以通过参数的调整和环境参数(温度、噪声等)的设定，高真实性地模拟实验环境。④增加实验的多样性。通过Multisim软件的平台，可以做故障性实验等，借助其强大分析功能可观测到实际仪器不能测到和记录的数据、曲线等。

因此，采用项目式教学，通过对知识点的整合，缩短理论教学的课时。通过Multisim软件仿真技术可进行各种实验项目，保证实验教学的高真实性，且灵活、可靠，也为各种竞赛提供开放性的平台。Multisim软件仿真技术和项目情境式教学相融合的混合式创新教学方法，真正实现了创新工程教育，为培养具有创新精神和创新能力的工程人才迈出了重要的一步。

4 混合式创新教学实践

混合式创新教学方法在数字电子技术教学中完美地诠释了教育教学的新质量和人才培养的新模式。以数字电子钟项目为例。数字电子钟包括三大部分(即3个子项目)：时钟脉冲产生电路，校准电路，计数、译码显示电路。按照数字电子钟的项目，对课程内容进行知识点重构，要求学生学习的理论知识点包括：555定时器构成的多谐振荡器、SR锁存器构成的消抖电路、集成的计数器的应用、集成译码器和显示器的连接。具备了这些理论知识，就可以进行子项目电路的设计，并用Multisim软件进行设计、仿真和调试。最后3部分连接起来就是完整的数字电子钟。具体实践如下：

(1)时钟脉冲产生电路设计。时钟脉冲产生电路由555定时器构成多谐振荡器来实现，此电路可通过两种方法进行设计：一种是用理论知识由555芯片、电阻和电容元件连接成多谐振荡器，再用Multisim软件画图及仿真；另一种是直接用Multisim软件中Astable Operation功能，输入电路的相关参数即可得到不同输出频率的多谐振荡器电路。本文采用第二种方法直接生成多谐振荡器电路，如图1所示；在OUT端得到输出频率为1Hz的方波信号，如图2所示。此信号作为秒脉冲信号送给计数器，进行计数、译码、显示。

电路设计、仿真完成之后，可以在此基础上，设置不同的情境。例如：让学生给家里设计一个防盗报警电路和门铃电路等。要求学生课后自主完成设计、仿真和制作，并在班级、系或院里开展作品竞赛。

图1 时钟脉冲产生电路

图2 秒脉冲信号

(2)计数、译码显示电路设计。由于秒和分都是60进制，这里只设计分的60进制，小时是24进制，经过理论知识的学习，可以用两种方法实现Mgt;N进制，一种方法是整体反馈清零法，一种是整体反馈置数法。其中M代表n个芯片级联后构成的进制，N代表要设计的进制。本文用集成计数器74LS161D和74LS160N来实现，U8和U3构成60进制，U7和U11构成24进制，均采用整体反馈清零法，仿真时采用了集成译码器的数码管进行译码显示，采用总线结构连接，电路如图3所示。

在原有设计的电路基础上，进行适当的拓展。例如：在小时和分之间、分和秒之间加入分隔符“：”，并让分隔符“：”每秒钟闪烁一次，电路应如何改进，设计出电路并进行仿真。然后，再进一步加深难度，若小时用12进制显示，还要区别开上午和下午，如何实现？驱使学生观察生活，激发创新的意识。

图3 计数、译码、显示电路

图4 校准电路

(3)校准电路设计。校准电路由SR锁存器构成，实现分和小时的校准，开关J3和J4的状态如图4所示，即为正常计数状态，开关往右打，为校准状态。图4中min端应与图3计数、译码显示电路分的个位计数器的时钟脉冲输入端相接，mh端应与组成分60进制的进位端相接，hour端应与小时的个位计数器的时钟脉冲输入端相接，clk端应与图1中555定时器的输出端OUT相接，构成数字电子钟正常计时状态。当开关J3和J4处于校准状态时，通过开关J1和J2可以直接对分和小时进行快速校准。

校准电路设计和仿真完毕，以游泳比赛为情境，让学生用SR锁存器为游泳比赛设计自动裁决优先到达者的裁决电路。或者用SR锁存器拓展，为工厂的冲床设计保安电路，当操作人员的手进入危险区时应使电动机停转。让学生自发地融入到工程实践中去，学以致用。

时钟脉冲产生电路、校准电路和计数、译码显示电路3个子项目设计仿真完成后，利用Multisim软件电路的分页功能，把3个电路放在Multisim软件一个文件下的3页中，即可完成数字电子钟项目电路的整机电路的设计和仿真。通过以上具体的实践内容和细节，混合式创新教学方法被证明适合新工科背景下创新工程教育。

5 结论

本文在新工科的背景下，针对数字电子技术课程的特点，提出了混合式创新教学方法，以适应创新工程教育的需求。混合式创新教学方法是在采用项目情景教学方法的基础上，引入Multisim软件仿真技术。通过详尽阐述数字电子钟项目的教学实践，证明混合式创新教学方法符合创新工程教育的新理念，有利于推进工程创新人才的培养。

[1] 董玉冰.Multisim 9 在电工电子技术中的应用[M].北京：清华大学出版社,2008.

[2] 周开发,曾玉珍.新工科的核心能力与教学模式探索[J].重庆高教研究，2017(5)：22-25.

[3] 徐晓飞,丁效华.面向可持续竞争力的新工科人才培养模式改革探索[J].中国大学教学，2017(6)：6-10.

[4] 包秀荣.基于EDA技术的数字电路课程设计[J].教育教学论坛,2014(4)：245-246.

[5] 秦进平.数字电子与EDA技术课程教学改革与实践[J].中国冶金教育,2013(5)：15-18.

责任编辑：刘 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

吉林省教育厅一般教研项目(SJYB16-04)；长春大学校级重点项目(XJZD15-03)

董玉冰(1976-)，女，吉林松原人，副教授，硕士，主要从事电工电子教学及模式识别方面研究。

G642

A

1009-3907(2017)10-0117-04