數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)

【精品】數(shù)字電子鐘課程設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞：項(xiàng)目式教學(xué)法；自主學(xué)習(xí)；創(chuàng)新型邏輯思維Abstract：Accordingtothecharacteristicofdigitalelectronictechnologyinthispaper，theprojected-basedteachingmethodisappliedintheprocessofteachinginouruniversity，thenitsschemeandimplementisdiscussedinseveralaspectsincludingcreatingsituation，modularmission，teachers'guide，teamwork，expandingmission，etc.Ithasshownthatthemethodisfavorableinimprovingstudents'abilitytosolveproblemsandanalyzeproblemsanddevelopingtheirabilitytolearningindependentlyandinnovativelogicalcogitation.Keywords：projected-basedteachingmethod；learningindependently；innovativelogicalcogitation一、引言“數(shù)字電子技術(shù)”課程是電氣、電子信息類在電子技術(shù)方面入門性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課，具有自身完整的理論體系和很強(qiáng)的實(shí)踐性。本課程通過對(duì)常用電子器件、數(shù)字電路及其系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得數(shù)字電子技術(shù)方面的基本知識(shí)、基本理論和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。通過本課程的學(xué)習(xí)，為以后深入學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)某些領(lǐng)域中的內(nèi)容以及為數(shù)字電子技術(shù)在專業(yè)中的應(yīng)用打好基礎(chǔ)。在課程的教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)混淆不清，不能將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來解一些綜合性題目。基于項(xiàng)目活動(dòng)的研究性學(xué)習(xí)，項(xiàng)目教學(xué)法的突出特點(diǎn)在于：將學(xué)習(xí)過程的實(shí)踐和研究活動(dòng)相融合[1]。項(xiàng)目教學(xué)法通過在教學(xué)中引入與相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的綜合案例，使學(xué)生在解決問題的過程中領(lǐng)會(huì)知識(shí)的內(nèi)涵和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)專業(yè)能力與綜合能力的有效提升[2]。二、基于項(xiàng)目教學(xué)法的課程建設(shè)“數(shù)字電子技術(shù)”課程首先讓學(xué)生了解了數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識(shí)及邏輯代數(shù)，接著重點(diǎn)讓學(xué)生熟悉常用的集成電路及其應(yīng)用。在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的前提下，在課程的教學(xué)過程中采用項(xiàng)目教學(xué)法，引導(dǎo)并啟發(fā)學(xué)生采用模塊化的設(shè)計(jì)思路對(duì)綜合性的數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。項(xiàng)目的選擇應(yīng)遵循的原則：（1）難度適中；（2）與現(xiàn)實(shí)生活緊密結(jié)合；（3）能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；（4）與專業(yè)相關(guān)，對(duì)專業(yè)知識(shí)有更深入的理解。三、項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)施步驟1.創(chuàng)造情境，激發(fā)學(xué)生興趣。在教學(xué)中創(chuàng)建良好的教學(xué)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如在課程的“組合邏輯電路設(shè)計(jì)”教學(xué)中，詢問學(xué)生有沒有獻(xiàn)過血。通過此問題可以激發(fā)學(xué)生的好奇心，探究獻(xiàn)血和所學(xué)知識(shí)的相關(guān)性；接著詢問血型匹配知識(shí)。通過此問題調(diào)動(dòng)大家探討的積極性；最后提出能否利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)血型匹配判斷電路。通過前期的情境培養(yǎng)，使學(xué)生對(duì)“組合邏輯電路設(shè)計(jì)”知識(shí)產(chǎn)生濃厚的興趣。2.圍繞主題，逐步深入。學(xué)習(xí)了典型的時(shí)序集成電路后，為了進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)集成電路的理解和應(yīng)用，繼而引導(dǎo)學(xué)生作進(jìn)一步討論：能否用現(xiàn)有知識(shí)設(shè)計(jì)數(shù)字電子鐘？數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)包含哪些模塊？學(xué)生對(duì)數(shù)字電子鐘比較熟悉，能夠確定數(shù)字電子鐘需要實(shí)現(xiàn)哪些功能。學(xué)生通過研究和討論，設(shè)計(jì)出數(shù)字電子鐘的總體結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。數(shù)字電子鐘的模塊包括：秒脈沖信號(hào)產(chǎn)生、計(jì)數(shù)、譯碼、校時(shí)和顯示等基本模塊，利用Multisim仿真軟件實(shí)現(xiàn)各電路模塊的獨(dú)立調(diào)試和仿真，再進(jìn)行系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)調(diào)試。在此過程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生思考數(shù)字電子鐘的關(guān)鍵問題：秒脈沖信號(hào)如何產(chǎn)生？時(shí)計(jì)數(shù)電路，即二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)電路如何設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)？分、秒計(jì)數(shù)電路，即六十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路如何設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)？時(shí)（分、秒）譯碼電路如何設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)？時(shí)（分、秒）顯示電路如何設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)？怎樣實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)、分的校準(zhǔn)？3.模塊化設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)合作?；驹O(shè)計(jì)思路確定以后，進(jìn)入項(xiàng)目的實(shí)施階段。在對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組時(shí)，應(yīng)從多個(gè)方面考慮團(tuán)隊(duì)成員的組合，如知識(shí)結(jié)構(gòu)、特長、性格等。確定了小組成員后，明確每位同學(xué)職責(zé)。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人將項(xiàng)目任務(wù)模塊化，負(fù)責(zé)項(xiàng)目的整體組織和協(xié)調(diào)，確保項(xiàng)目有條不紊地開展；成員兩人一組完成子模塊的設(shè)計(jì)與調(diào)試；最后以小組為單位，梳理項(xiàng)目，由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人組織編寫和完善所有項(xiàng)目文檔和報(bào)告。在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生參考他人的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法時(shí)，主要是學(xué)習(xí)他人的設(shè)計(jì)方法，如編碼、接口和電路的工作原理，而不是原封不動(dòng)地使用他人的電路。在項(xiàng)目的方案論證過程中，鼓勵(lì)學(xué)生開展討論。學(xué)生可以通過提方案、相互補(bǔ)充和正反對(duì)比等多種探討思路，對(duì)所擬定的方案進(jìn)行仿真或試驗(yàn)驗(yàn)證。教師在這一環(huán)節(jié)中力求全面把握學(xué)生動(dòng)向，主動(dòng)獲取學(xué)生設(shè)計(jì)過程中的認(rèn)知錯(cuò)誤，加以指導(dǎo)。最后學(xué)生可以得出電子鐘每一子模塊的設(shè)計(jì)內(nèi)容。數(shù)字電子鐘的第一部分是時(shí)間基準(zhǔn)，即時(shí)鐘。學(xué)生通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，為了獲得可能的最高精度，時(shí)鐘電路選擇比較常見的32.768kHz的晶振，而32768是2的15次方，所以對(duì)這種晶振進(jìn)行15次分頻的話，就可以得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的1Hz的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)字電子鐘的第二部分是秒計(jì)數(shù)器。秒計(jì)數(shù)器的工作原理為：給其裝載一個(gè)初始值并執(zhí)行減計(jì)數(shù)至零。當(dāng)計(jì)數(shù)到達(dá)零時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖并將其傳遞給分計(jì)數(shù)器。在這里，裝載的初始值根據(jù)需要設(shè)定的時(shí)間和時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)來計(jì)算，若時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)為1Hz，則60s的設(shè)定時(shí)間所需的初始值為60，若時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)為2Hz，則60s的設(shè)定時(shí)間所需的初始值為120。也就是說，裝載的初始值等于需要設(shè)定的時(shí)間乘以時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)。數(shù)字電子鐘的第三部分是分計(jì)數(shù)器，它實(shí)現(xiàn)分的計(jì)數(shù)和顯示，且進(jìn)行小時(shí)比較。每當(dāng)秒計(jì)數(shù)器減至零時(shí)，分計(jì)數(shù)器加1。電路需包含一個(gè)比較電路的8位計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)分的復(fù)位并使小時(shí)計(jì)數(shù)器加1。通過仿真，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，為了保證LED顯示的正確性，當(dāng)復(fù)位為零時(shí)，設(shè)置顯示值為59。數(shù)字電子鐘的第四部分是時(shí)計(jì)數(shù)器，當(dāng)分計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到60時(shí)，小時(shí)計(jì)數(shù)器加1。在計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生最容易忽略計(jì)數(shù)器的工作特性，在仿真時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題。例如，在電子鐘設(shè)計(jì)中計(jì)數(shù)器選用74LS193時(shí)，就要考慮其工作特性，在分計(jì)數(shù)器的值小于而不是等于60的那一個(gè)時(shí)刻加1。這樣做可以避免使用額外的邏輯運(yùn)算，來使比較器的輸出轉(zhuǎn)化為小時(shí)計(jì)數(shù)器的輸入時(shí)鐘脈沖。小時(shí)計(jì)數(shù)器電路中也應(yīng)該包含一個(gè)比較器，用以檢測當(dāng)前值是否為12（電子鐘小時(shí)顯示為12進(jìn)制），如果是，立即將小時(shí)計(jì)數(shù)器復(fù)位[3]。4.總結(jié)問題，共同研討。在項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施的過程中，教師在做到整體掌握、全程引導(dǎo)的同時(shí)，還要尊重學(xué)生的設(shè)計(jì)，協(xié)助學(xué)生解決遇到的難題。如學(xué)生在校時(shí)電路的設(shè)計(jì)中遇到了如下問題：校時(shí)電路的開關(guān)在接通和斷開時(shí)均存在抖動(dòng)問題，使電路無法正常工作。這時(shí)學(xué)生在教師的鼓勵(lì)、引導(dǎo)下查閱資料，了解到常用的消除抖動(dòng)的方法：軟實(shí)現(xiàn)（編程實(shí)現(xiàn)）、硬件實(shí)現(xiàn)。軟實(shí)現(xiàn)即處理器查詢或者監(jiān)視開關(guān)的狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有改變狀態(tài)時(shí)，即認(rèn)為開關(guān)已經(jīng)不再抖動(dòng)。常用的硬件去抖動(dòng)的方法有：（1）使用施密特觸發(fā)器電路；（2）使用CMOS555定時(shí)器；（3）基本RS鎖存器電路。利用施密特觸發(fā)器電路消除抖動(dòng)時(shí)，應(yīng)確保施密特觸發(fā)器的門限電壓盡可能小，以保證能被電容上的電壓觸發(fā)；當(dāng)開關(guān)存在很多抖動(dòng)時(shí)，最好的方法是采用CMOS555定時(shí)器構(gòu)建單穩(wěn)態(tài)電路來消除抖動(dòng)。當(dāng)開關(guān)按下時(shí)，555定時(shí)器可以輸出一個(gè)穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，代替開關(guān)來觸發(fā)實(shí)際；利用基本RS鎖存器電路，將鎖存器的S端接開關(guān)輸入，R端接應(yīng)用電路，將開關(guān)的狀態(tài)鎖存，當(dāng)操作完成后取消鎖存。學(xué)生可以分組，應(yīng)用不同的方法消除抖動(dòng)，比較去抖動(dòng)的效果，確定最佳方案。學(xué)生通過查閱資料，不僅解決了設(shè)計(jì)中遇到的問題，同時(shí)也發(fā)散了思維，擴(kuò)展了知識(shí)面。5.時(shí)序仿真，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。學(xué)生通過原理圖設(shè)計(jì)，得到了秒脈沖信號(hào)、二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器、六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，通過仿真可以得到其時(shí)序圖，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)利用集成計(jì)數(shù)器芯片實(shí)現(xiàn)其他進(jìn)制計(jì)數(shù)器的方法，最后通過級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)和仿真。每個(gè)小組實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)后，教師應(yīng)對(duì)學(xué)生作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人應(yīng)向全班匯報(bào)并展示本組設(shè)計(jì)的作品，列舉在項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到的問題及解決方案。6.拓展項(xiàng)目，鼓勵(lì)創(chuàng)新。在學(xué)生實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目任務(wù)時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目的拓展，增強(qiáng)學(xué)生的靈活應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行討論，如現(xiàn)在市場上的電子鐘定時(shí)有何特點(diǎn)，學(xué)生自身對(duì)定時(shí)功能有何要求等。學(xué)生可以通過提方案、互相補(bǔ)充、多方面對(duì)比等探討過程，實(shí)現(xiàn)電子鐘個(gè)性化定時(shí)的設(shè)計(jì)。在這一過程中，學(xué)生不僅學(xué)會(huì)思維探索，而且提高了對(duì)知識(shí)的理解記憶，為課程學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。不要局限于一套設(shè)計(jì)方案。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，將學(xué)生分組，要求每組同學(xué)采用不同的方法達(dá)到設(shè)計(jì)目的。例如用數(shù)字電路設(shè)計(jì)一個(gè)閃爍式LED時(shí)序電路，在設(shè)計(jì)時(shí)序發(fā)生器時(shí)可以采用以下幾種方法：（1）555定時(shí)器；（2）慢時(shí)鐘；（3）快時(shí)鐘，通過計(jì)數(shù)器來分頻。四、結(jié)語在“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)改革中，采用項(xiàng)目教學(xué)法獲得了顯著的實(shí)際成效。采用基于項(xiàng)目的教學(xué)方法，通過創(chuàng)設(shè)情境、教師適時(shí)引導(dǎo)、學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作及互動(dòng)交流、項(xiàng)目拓展等，不僅能夠全面提高學(xué)生分析問題及解決問題的能力，還能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。教學(xué)實(shí)踐證