基于EDA技术的《电工电子》实验混合式教学模式研究

白燕燕 ，胡晓霞，陈洁浩，楚鑫源

（西安工商学院，陕西西安，710200）

0 引言

混合式课程建设已经成为当前"新工科"建设的解决方案共识。"新工科"这一新的教育理念,以培养高素质、高技能、全面型人才为目的,通过对人才培养模式的创新，从而带动整个社会经济的发展。混合式教学改革一定会重构传统课堂教学，因为这种教学把传统教学的时间和空间都进行了扩展，“教”和“学”不一定都要在同一个时间同一个地点发生，在线教学平台的核心价值就是拓展了教和学的时间和空间。

开展混合教学的最终目的不是去使用在线平台，不是去建设数字化的教学资源，也不是去开展花样翻新的教学活动，而是有效提升绝大部分学生学习的深度。

1 互联网时代的实验教学

大多数实验课程都是依赖于理论课程，内容方面不生动。实验项目中，多为验证性实验,而设计性实验太少, 学生不感兴趣，其主观能动性无法充分调动起来。

如何实现以学生学为中心的教学转变，如何有效融入信息化及数字化教学工具，如何开展线上线下一体化的混合式教学，如何做到理论与实践的融合，这些都是我们在教学模式和教学方法中需要解决的问题。

在“互联网＋”时代，智慧校园应运而生，智慧课堂教学备受关注。融合传统课堂学习与网络在线学习优势的混合式学习(Blended Learning)将成为未来学校教学的主要方式。

无论是线上还是线下都需要给予学生及时的学习反馈，基于在线教学平台或者其他小程序开展一些在线小测试是反馈学生学习效果的重要手段。通过这些反馈，让教学的活动更加具有针对性，不但让学生学得明明白白，也让教师教的明明白白。

2 基于项目驱动和兴趣导向的混合式教学模式

兴趣是最好的老师，实践指引着我们的方向。本课题立足项目驱动和兴趣导向，深层次的研究了混合式教学在《电工电子》实验这门课的积极推动作用。

2.1 混合式教学模式的构建

课题组设计合适的教学情境，最大化的节约教学硬件设施，使硬件和软件做到有机结合。

《电工电子》实验是一门实践性非常强的课程，我们的课程重在培养学生的工程素质、分析解决问题能力、动手能力和创新能力。

要实现这一目的,需要从各个方面改变原有的教育模式,建立新型的人才培养模式,提高大学生和高校教师队伍的整体素质,包括工程实践和创新能力等,从而将其融入到课内与课外、理论与实践的教学活动中,全面提高大学生的创新精神和创新能力。将线上课堂与传统教学相结合，实现混合式教学模式以及多层次的混合，是我们应该持续努力的方向。

2.2 项目的选择

在教学内容安排上，根据学科专业特性，利用混合式教学进行课程模式探索。教师要做好教学设计，充分利用好课程学习前置的必要性，《电工电子》实验课程以项目为驱动，以兴趣为导向，提高学生的设计能力。

学生通过实验，学习兴趣得到激发，学习主动性和科技创新能力得到提高，为就业或进一步深造奠定了较好的基础。今后如有条件，应积极引导学生申报校级的学生开放实验项目或大学生创业项目，通过这些项目的研究，使理论知识和实际应用相辅相成。图1是基于项目驱动和兴趣导向的混合式教学模式方框图。

图1 基于项目驱动和兴趣导向的混合式教学模式框图

2.3 教学的开放性

选择《电工电子》实验的《电子设计自动化》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》等实验课程进行分析和案例对比。进行调研，设计出适合的教学情境和教学方法；在研究基础上观察和论证是否真正得到提高；对3门课程课堂效果对比，边教学，边实践，边改进。

本课程共选择出7个案例。基础项目案例包括：任意进制计数器的设计、4位加法器设计、彩灯控制器设计、交通管理器设计以及抢答器设计。提高性项目案例包括：摇摇棒的设计和2层Leonardo开发板的设计。课程共分为两个环节：理论教学环节和实践教学环节。

设计合适的教学情境，建立学生兴趣小组。学生可从所有的案例中选择自己感兴趣的或者想要去做的1-2个去做。

2.4 教学案例之一任意进制计数器的设计

以下是学生选择的基础项目六进制计数器的设计。

计数器是一种使用相当广泛的功能器件，按照计数方式分为加法计数器、减法计数器，以及可逆计数器。按照工作方式可分为同步计数器和异步计数器。按照进制划分，可以分为二进制、十进制和任意进制计数器。

74LS161是四位二进制同步加法计数器，除了有二进制加法计数功能外，还具有异步清零，同步置数、保持等功能。74LS160是8421BCD码十进制同步加法计数器。也具有异步清零、同步置数、保持功能。

学生设计中分别选用74LS161和74LS160运用清零法和置数法，来设计六进制计数器。选用555定时器构成的多谐振荡器来产生1s的信号。图2是运用74LS161二进制同步加法器设计的六进制计数器。这里使用了清零法。图3是运用74LS160十进制同步加法器设计的六进制计数器。这里使用了同步置数法。

图2 74LS161二进制同步加法器设计的六进制计数器

图3 74LS160十进制同步加法器设计的六进制计数器

从实验结果来看，电路设计简单，易操作。学生从实验中可以更好的掌握任意进制计数器的设计规则。设计中的注意事项是学生应掌握74LS161或74LS160各个管脚的功能。对应理解其真值表。

运用EDA设计工具可以直观的看到实验变化。在EDA设计工具MUTISIM的运行中，可以观测到数码管从0计数到5实现了六进制计数器的功能。 以此类推，可以运用十进制计数器或者二进制计数器进行任意进制计数器的设计。

2.5 教学案例之二摇摇棒的设计

以下是学生设计项目摇摇棒。摇摇棒就是每个LED灯按照一定亮灭形成“点”，将这些灯焊接成一列，形成了“线”，最后摇起来就形成了“面”。该项目包括单片机最小系统、LED灯16个，水银开关、按键、电池。系统框图如图4所示。

图4 摇摇棒系统框图

该项目的实现过程首先设计电路，绘制方框图，其次利用EDA设计工具Altium Designer绘制电路原理图，绘制印刷电路板，进行设计规则检查，手工焊接电路板，最后编程，下载程序调试。在单片机正常工作前提下，以矩阵形式连接16个LED灯，加入水银开关控制，朝一个方向摇晃时候显示画面，另一方向不显示。再加入按键切换，能够显示更多画面

图5为摇摇棒的PCB设计图。

图5 摇摇棒的PCB设计图

硬件电路设计完毕，最后是软件设计。这里设计的是16*16LED点阵。编写程序，下载程序，用取模软件取出自己想要的字符编码。第一维控制显示屏幕的屏幕数，第二维度控制每个屏幕显示的文字个数。

通过提高性项目学生可以更深刻的学会运用单片机的功能，做到学以致用。从项目中感受学习的乐趣。

3 学习效果分析

本课题的主要目标是研究如何把传统的实验室验证实验做成创新的符合时代发展的新型工科实验的问题。从实验项目的定制，到实验环节的设计和分工合作。通过基础的电工电子实验延伸，录制相关操作视频，提供教学材料，利用云班课和QQ群指导学生阅读教材，分析案例，慕课学习。利用EDA设计工具MUTISIM，Altium Designer，Proteus, MATLAB等，边实践边学习，培养学生的自主学习能力。潜移默化改变学生手机的娱乐用途，充分利用好网络资源。

在本课程中，项目组前期已经对数字电子技术实验课建立兴趣小组，以基础项目开始逐渐过渡到提高性实验。培养学生的实验兴趣和对真理的追求精神。兴趣小组学生积极参加校内外举办的各种比赛项目。多人次在蓝桥杯单片机设计与开发、EDA设计与开发以及TI杯电子设计大赛中获得省级以上奖项。基于兴趣和对知识应用的追求，小组学生设计的指纹智能密码锁已经应用在该小组学生的宿舍门锁中。

参加全国大学生科技竞赛，更能增强大学生的市场竞争力。这就要求教师在教学中巧妙的把科研引入教学，培养学生独立探索问题与进行科学研究的能力。

4 结束语

学生更好的利用多学科的综合知识指导自身实验顺利完成，以及从实验中强化理论知识。做到学以致用。使学生懂得用多学科多种途径多种实验方式来完成一种实验。场景式表现，是案例最具特色的表现形式，将案例场景再现，模拟案例中的人物、事件、情节、道具等将案例表现在教学过程中，使案例更具真实性。通过场景引起学生的感官感受，增强案例的感染力。场景式表现增强了参与者的真实体验，参与者身临其境般的感受引发了其思考的主动性和积极性。