数字电子技术课程思政教学案例设计——以步进电机的控制为例

李研达,丁电宽,李艾华

(安阳师范学院 物理与电气工程学院,河南 安阳 455000)

0 引言

数字电子技术课程定位为电子信息类、电气类专业的核心课程,是后续专业课程的基础。本课程思政建设目标密切结合《高等学校课程思政建设指导纲要》中工学类专业课程和实验实践类课程指导纲要,以课程为载体落实立德树人根本任务,将德育渗透、贯穿教育和教学的全过程。课程思政充分发挥课堂教学的主渠道作用,在教学过程中把价值观教育与科学精神的培养进行结合,提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力,强化学生工程伦理教育,培养学生精益求精的大国工匠精神,激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。课程思政注重培养学生学思结合、知行统一,增强学生勇于探索的创新精神、善于解决问题的实践能力,课程建设方案如图1所示。

图1 “数字电子技术”课程思政建设方案

在高校的人才培养过程中,专业课教学占据了最重要的位置[1]。常见的课程思政案例经常会用到一些经典案例或者前沿要闻作为思政切入点,在互联网普及的大背景下这样的案例容易引发学生的共鸣,但是学生本身也会通过其他课程和途径了解到相同内容,容易出现不同课程的“案例重复”和学生感知的审美疲劳问题[2]。并且,经典大案例在课程概述部分的授课环节,契合度较高,但是往往并不能很好地与小节知识点有效融合,容易出现“两张皮”现象。如何能够找到更为合适的融合点,是值得授课教师深入思考的问题,这要求教师要更细致地研究教材,进一步熟悉本专业教学大纲和人才培养方案,综合发掘对学生知识目标和能力目标培养更有价值的要点,然后再与思政元素进行融合,这样就保证了思政元素的提取点是来自于本课程的内容,既不会显得突兀,也可以有效减少案例重复现象,实现更好的思政教学效果。

1 “步进电机控制”知识点拓展的课程思政融入路径

本案例课程思政提取点来自于清华大学出版社的数字电子技术(第六版)中第六章:时序逻辑电路章节课后题。习题要求如下:“设计一个控制步进电机三相六状态工作的逻辑电路,用1表示电机绕组导通,0表示电机绕组截止,则3个绕组ABC的状态转换图如图2所示。引入M为输入控制变量,当M=1时控制电机正转,当M=0时控制电机反转。”[3]

图2 绕组ABC状态转换图

数字电子技术课程开设的时间为第1学年第2学期,学生在专业课方面仅仅学习了模拟电子技术、数字电子技术、电路分析和C语言程序设计,单片机原理和电机控制方面的课程还未开设,而步进电机的控制是需要利用单片机来完成的,对学生来说“步进电机原理”“三相六状态控制”就构成了难点。

本案例的设计步骤如下:①讲解步进电机基本原理和分类,让学生认识学习步进电机的重要性。②在此基础上理解 “单拍控制”“双拍控制”“四相八拍”“三相六拍”的工作模式。③对步进电机基本原理和控制信号知识入门后,再对照图2认识其控制信号,利用数字电子技术课程知识设计控制电路。④用MULTISIM电路仿真软件进行仿真验证。⑤让学生对照参考答案与仿真进行纠错后重构控制电路模型,在此基础上引导学生认识到采用数字电路集成模块搭建的控制方案在实际应用环节仍有欠缺,不能满足实际控制要求。⑥知识深化与扩展,重点讲解在实际的控制系统中,如何控制常见的四相步进电机。

上述设计步骤中仅有第③步为数字电子技术课程知识点“时序逻辑电路设计”内容,第④步和第⑤步是为了获得更好的教学效果而引入的电路仿真内容,第①步和第②步为电机控制扩展内容,第⑥步内容涉及到C语言和单片机原理课程内容。整个教学过程中教师需要总结提炼出步进电机原理、单片机、C语言程序设计等课程中相关知识点并进行梳理。这个过程可以概括为这样一个思路:即“从课程中的一个问题出发,引出一个有应用价值的项目,继而采用科学有效的方法解决问题”。解决实际问题的过程正是“精益求精”的工匠精神体现,教师在教学过程中应身体力行,为学生引导示范,学生在教师的指导下“参与、体验、感受”,学习解决实际问题的方法和思想,经历从知识到能力、从能力到应用这样一个收获和成长的过程,逐步培养出勇于探索的科学精神以及责任、使命和担当的意识。而“精益求精”的思政元素,并不一定要在课程中明确强调,在本案例的授课环节中,仅使用了一句话对寻求科学方法解决问题做了总结:“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”。这样一种授课模式,可以更好地体现润物无声的思政育人效果。

2 “步进电机控制”课程思政案例设计的具体实施

2.1 知识延伸

步进电机又称为脉冲电机,其动作的基本原理是接收数字控制信号(电脉冲信号)并转化成与之相对应的角位移。作为一种控制用的特种电机,步进电机无法直接接到直流或交流电源上工作,必须使用专用的驱动电源来控制其转速和转动角度。步进电机主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等需要高精度控制的领域,在家用电器中的典型应用之一是利用步进电机转过特定角度调节空调出风口叶片方向。

步进电机分三种:永磁式(PM),反应式(VR)和混合式(HB)。永磁式步进电机转子为永磁体,一般为两相或四相,体积较小,制造成本低,动态性能好,力矩较大,误差相对大一些,广泛使用在消费性产品上。[2]反应式步电机进一般为三相,可实现大转矩输出,但噪声和振动都很大,目前已被淘汰。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点,它又分为两相和五相,这种步进电机在工业中的应用最为广泛,其特点是输出力矩大、动态性能好、步进角小,但结构相对复杂,成本高。 综合以上因素,本案例以四相步进电机为例,重点讲解其最佳工作模式即“四相八拍”工作模式,在这种模式下可以获得最高的控制精度和较大的力矩。理解了这种工作模式后,学生就很容易理解二相、三相、五相步进电机的控制方案。

以“四相八拍”控制逻辑为例,步进电机的每组控制信号序列中应包含8个步骤:①B相单独通电,转子磁极0-3在磁场力作用下位于图3所示位置。②B相C相同时通电,电流方向相同,产生相同磁性,转子在磁场力作用下逆时针旋转到转子磁极0-1和3-4的中间位置与定子绕组B相C相中间对齐的位置。由于B相C相同时通电,产生的磁场更强,与单相通电的单拍工作模式相比,这种“单-双拍”的工作模式可以在增大扭矩的同时使转子旋转角度减小一半,从而提高控制精度,所以有时也把这种控制模式称为半拍控制。③C相通电,转子逆时针旋转到转子磁极1-4与C相定子绕组对齐的位置。④C相D相同时通电,转子在磁场作用下逆时针旋转到转子磁极1-2和4-5的中间位置与定子绕组C相D向中间对齐的位置。之后的工作状态与之前类似,单向通电和双向通电交替,控制脉冲每变化一次,转子转过一定角度,这个角度称为步进角。

图3 28BYJ-48型步进电机结构图

学生在理解了四相八拍的工作逻辑后,也就容易理解三相六拍步进电机的控制原理。有的步进电机在转子中间轴外侧布置上减速齿轮,通过减速齿轮后再与输出轴连接,这样就可以获得极小的步距角,从而获得更好的控制精度,这种步进电机称为减速型步进电机。也有的步进电机以增加转子齿数的方法减小步距角,从而获得更高的控制精度和更大的扭矩。

2.2 课程知识点讲解

以“三相六状态”工作的步进电机为例,按照题目要求,取Q1、Q2、Q3三个触发器的状态分别表示A相、B相、C相的状态,根据图2所示的状态转换图可以画出包含控制信号M的逻辑函数卡诺图,如图4。

图4 步进电机控制逻辑卡诺图

由卡诺图写出采用D触发器构成的电路的状态方程为:

由状态方程即可进行电路设计,仿真电路如图5。

图5 步进电机控制电路仿真

上述仿真电路中,U1A、U1B、U2A为D触发器,需要使用两片74LS74数字集成芯片实现,采用了6个二输入与门,需要两片74LS00数字集成芯片,另外还需要使用一片74LS32或门集成芯片和一片74LS04非门芯片,即可实现上述功能。由仿真电路中D触发器输出端的逻辑电平指示灯状态变化可以发现,该电路的输出状态Q1、Q2、Q3会在“000”和“111”状态之间循环,并没有进入图2所示的六种状态循环。由此可见,教材所给出的参考答案存在不妥之处,这是一个很容易疏忽的问题,不通过仿真验证难以发现。分析其原因如下,该控制电路事实上是一个环形计数器,初始状态需要设置为主循环中的状态之一,这样电路输出状态才可控,而该电路如果没有预先置入主循环中的一种状态的话,就可能陷入死循环,不能自启动。

2.3 仿真纠错

通过仿真发现电路设计存在的问题后,改进电路设计,在Q1、Q2、Q3初态为“000”的情况下我们不再将其次态做无关项处理,而是设置成主循环中的状态“100”,修改后的卡诺图如图6所示:

图6 修正后的步进电机控制逻辑卡诺图

按照该卡诺图重新设计控制电路如图7。

图7 修正后的步进电机控制电路

通过仿真验证发现,该电路输出状态变化与图2所示状态变化一致,电路设计符合控制要求。

到此为止,本案例涉及到的数字电子技术课程知识点已讲授完毕,但是对于实际的工程应用来说仍不能满足条件,原因如下:①该控制电路只能控制步进电机正转或者反转,步进电机的转速取决于时钟脉冲信号的频率,而依靠数字电子技术课中所学的内容,想要实现一个方便调节的时钟脉冲信号并不容易实现,这需要利用单片机中的定时器完成。②学习了步进电机的应用后可以发现,步进电机的控制往往是要求其能够在指定时间内转过合适的步距角,也就是说在经历一定数量脉冲控制信号之后,我们需要让步进电机停转,而上述电路不能很好的实现这项功能。为了更好的满足实际应用的需求,就必须依靠单片机来完成设计方案了。

2.4 工程应用方案讲解

实际应用中步进电机控制系统采用的是青岛金斯特电子有限公司的KST-51单片机开发板,步进电机型号为28BYJ-48,单片机C语言软件开发系统采用Keil4软件, 单片机下载编程烧录软件采用STC-ISP,可以用来验证C语言程序编译后单片机STC89C52对步进电机的控制效果。开发板中步进电机驱动电路如图8所示,其中Q2至Q5为PNP型晶体管,用来提高电流驱动能力,MC0至MC3连接单片机P1.0至P1.3端口,通过控制对应晶体管的开关状态来实现四相八拍控制逻辑,控制逻辑如表1所示。

表1 四相步进电机八拍绕组控制顺序表

图8 四相步进电机结构与驱动电路

在Keil软件中进行C语言程序设计,源程序如图9所示。

在授课环节C程序讲解要点包括4个方面,分别是图中标注序号的位置:1)设置全局变量,用来设置电机转动节拍总数和步进电机转动角度。2)在主程序中设置中断,为单片机定时器T0赋初值“0xF8CD”定时2ms,这是由28BYJ-48步进电机数据手册中的启动频率参数,每秒脉冲数小于550决定的。主函数需要调用步进电机启动函数,进行节拍数到转动角度的换算。3)根据表1数据设置变量数组[0x0E,0x0C,0x0D,0x09,0x0B,0x03,0x07,0x06],分别对应于P1.0至P1.3端口控制信号“1110,1100,1101,1001,1011,0011,0111,0110”。4)驱动节拍只需要控制单片机P1端口的低4位,因此不希望对高4位数据产生影响,因此设置临时变量“tmp”和节拍输出索引变量“index”,通过变量赋值、按位与和按位或运算后反向赋值,再让索引变量递增,在递增到“0x08”时与“0x07”进行按位与运算结果为0,开始进行下一组控制逻辑输出,总节拍数减一,当总节拍为0后,步进电机停转[4]。通过上述4个步骤的讲解,学生对C语言程序在单片机系统中的应用将会有更深的认识,这些知识既用到了C语言课程中的“数组”“函数调用”“算数逻辑运算”等知识点,也用到了单片机原理课程中“定时器和中断”的应用,数组的设定值又涉及到数字电子技术课程中的基础知识。

在开发板调试成功之后,如果需要将步进电机控制器产品化还要经历电路板制作和实际电路调试环节。在硬件设计过程中教师需要在参数设计、元器件选型、PCB板设计、实物调试和制作等环节进行分步骤的讲解,进一步深化科学精神和工程伦理教育的结合,培养精益求精的大国工匠精神。我们课程团队采用了校企合作的方式推广国产立创“EDA”(电子设计自动化)电路板设计软件,多次聘请立创“EDA”厂家的工程师线上授课,已完成了数字电路课程中的“病房呼叫控制器”等制板项目的合作授课。在当前高端芯片受制于国际大环境的不利影响下,国产芯片行业正在面临前所未有的挑战,芯片行业的发展离不开“EDA”软件的支持,利用国产PCB电路板设计软件“立创EDA”完成由知识到实际应用能力的转化,用国产芯片一步步实现系统功能,在这个过程中可以培养学生的文化自信,“爱国敬业、科技报国”的时代担当与使命感。为了更好的突出过程考核评价指标,在课程设计环节采用“工程师制”进行分组,每小组3人,分别负责不同的规范:A.EDA执行规范;B.元器件选型和硬件调试规范;C.文档整理规范。在下一个项目制作时进行轮换,这样就可以使学生的团队合作能力得到提高。

3 课程思政样板课改革特色

课程的建设以服务学生学习需求为中心,对标“CDIO”工程教育模式,不断完善线上-线下授课资源,大量引入仿真电路设计案例,引入多种思政元素。这些思政元素有的来自于大国工匠系列记录片,有的来自于习近平总书记的讲话,也有的来自于历史人物传记,大多数的思政元素以“讲故事”的形式出现,这样可以更好地获得学生“认同感”从而引发“情感共鸣”,进而将社会主义核心价值观植根于心。为了充分体现专业核心课程在人才培养方案中的核心地位,课程目前已建成的线上教学资源包含了课堂、仿真、作业、实验、实践五个层次(在线课程链接:http://mooc1.chaoxing.com/course/217605581.html)。 考虑到课程结课后,学生将面临大一结束后的两个月暑假生活,很多工科类院校的学生此时已经开始进入实验室,跟随教师或者学长参与项目课题。在这期间学生会对后续核心课程单片机原理的知识产生迫切需求,而单片机课程一般不能够在大一开设,因此课程将会寻找更多的切入点,导入更多的实际应用案例,以满足学生暑假期间的学习提高需求。

4 结束语

课程思政教学案例设计结合安阳师范学院电类专业实际情况,在教学过程中注重因材施教、循序渐进、虚实结合,同时也不断丰富线上-线下教学资源。经过近几年来的改革探索,取得了一定的成效,尤其是在校区疫情封控影响下,学生课堂授课也采用线上教学,实验和实践教学不能同步进行,这种情况下电路仿真设计的引入就可以起到很好的桥梁作用,让学生迈出从专业理论到实际应用的第一步。课程思政与专业教育的融合最终还是要体现在教师的“言传身教”上,身教重于言传,教师每次的授课和指导也让学生有收获、有进步,学生会在学习和成长的过程中感悟,从而获得更好的学习效果。