数字电子技术课程项目法教学探索

2022-03-17林梅金苏彩红王飞

科学咨询 2022年3期

林梅金，苏彩红，王飞

（佛山科学技术学院，广东佛山 528000）

一、研究背景

数字电子技术课程是电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程、计算机科学与技术等专业的重要专业基础课[1]，在我院的电气工程及其自动化专业的教学中具有承上启下的作用。数字电子技术课程所涉及的内容具有较强的实用性[2]，本课程设置的实践教学环节旨在培养学生的科学素质、动手能力和创新能力，为了进一步契合本专业的培养目标“具有一定竞争意识、创新精神和实践能力的高素质应用型人才”，本课程的课题组教师在教学理念上进行了深入探讨，努力寻找理论和实践紧密结合的可行路径[3]。近两年，我们对本院电气工程及其自动化专业数字电子技术课程进行了教学改革，从传统的以教师讲授为主的授课模式改革为以项目法为主的教学模式，有效地强化理论与实践相结合。在项目教学法下，学生不仅需要听取教师对基本理论的讲解，还需要查找资料进行实验设计并完成调试，这一教学模式能有效推动学生对相关的理论和应用的主动学习。本文以一个例子阐述如何通过一个项目展开项目教学法以及项目如何连接课程中的几个重要内容。

二、数字电子技术课程项目法教学实例

众所周知，零散的知识点不利于记忆，也难以引起学生学习的兴趣，因此在项目教学法开展之前，需要设计一系列项目，这些项目需要涵盖一定量的课程内容并形成一个完整的小体系，以便于教师在教学过程进行知识点的串连和前后呼应，实现联想式教学，提高学生的学习能力和素质[4]。本节从一个实例(交通信号灯状态监测功能设计）出发，详解基于项目法教学过程。

项目的题目与要求：使用所学的典型逻辑门设计交通信号灯工作状态异常监测逻辑功能电路。交通信号灯由红（R）、黄（Y）、绿（G）三盏灯组成，如图1所示。在正常工作情况下，红黄绿灯中必有一盏灯被点亮，而且只允许有一盏灯被点亮。当出现其他五种状态（两盏灯被点亮、三盏灯被点亮、没有灯被点亮等情况）时，表明电路发生故障，这时要求所设计的监测逻辑功能电路自动发出故障报警信号，提醒维护人员前去修理。

图1 交通信号灯工作正常与故障状态

本项目涵盖了数字电子技术课程的第一章至第四章中的重点内容，项目的成功开展为学生良好的学习效果奠定了坚实的基础[5]。本项目内容与数字电子技术课程中关键知识的对应关系如图2所示。

图2 本项目与课程内容直接的关系图

接下来，我们详细介绍以此项目为导向的教学实施过程。设计逻辑门电路首先需要对实际物理对象进行逻辑抽象，针对本项目，我们通过分析可以选取红黄绿三盏灯的点亮状态为输入变量，分别用R、Y、G表示，并规定灯被点亮为1，不亮为0。取三盏灯工作异常状态为输出变量，用变量Z表示，并规定三盏灯均正常工作时Z为0，否则判断为发生故障，此时Z为1。根据项目要求可以列出真值表(如表1所示），并列写逻辑函数式(如式1所示）。这部分内容在第一章的逻辑函数表示方法及变换中要指导学生完成。

表1 逻辑真值表

图3 卡诺图化简

接下来进入项目法实施的又一重要环节，选定合适的典型逻辑门电路实现上述的理论功能。而课程学习也进入了第三章组合逻辑门。教师在引导学生学习基本理论知识的同时，注意引导学生思考所学知识与本项目实现之间的关系，如一些常用的小规模集成电路，如反相器（74LS04）、2输入与非门（74LS00）、3输入与非门（74LS10）和4输入与非门（74LS20）等。接着，引导学生根据所提供的逻辑门器件，转换逻辑关系并画出逻辑图。本项目中输入输出逻辑关系的转换过程如式3所示，实现的逻辑图如图4所示。

图4 基于组合逻辑门的电路实现

第四章组合逻辑电路的分析与设计是数字电子技术课程学习中的一个重点。在这一章学习开始，教师依然可以利用这个项目前期开展的内容，引导学生进一步学习。首先通过反向回忆该项目，不仅可以梳理本项目所学知识的脉络，还可以引入第四章前两节组合逻辑电路的分析与设计的内容学习，将分析与设计的基本步骤内化到学生的设计技能中。而在典型组合逻辑电路的学习中，该项目又可以一次次地为所学的理论知识找到用武之地。比如，译码器、数据选择器、组合可编程逻辑器件PLA等器件的应用等。采用译码器作为实现器件，需要先对项目所述的输入输出关系进行梳理转换(如式4所示)，然后再配上基本与非门一起完成实现(如图5所示)。基于4选1数据选择器进行实现也不失为一个不错的主意，首先依据4选1数据选择器的输入输出关系，转换本项目的输入输出关系(如式5所示)，加上合适的基本逻辑门，可得设计图（如图6所示）。采用组合可编程逻辑器件PLA也可以作为该项目的实现器件，此处不再详解[6]。总之，教师在引导学生进行项目的学习与实施过程中，需谨记学为所用，以用带动学，不仅可以提高学生对理论知识的学习效果，而且可以大大提高学生对所学理论进行实践的能力。