基于工程思想的模块化综合性实验教学改革与实践

基于工程思想的模块化综合性实验教学改革与理论〔〕:

摘要：本文针对目前多数高校电子电气信息类学科根底课程实验内容系统性、综合性和实用性不强等问题，以数字电子技术实验为例，课程实验以设计一个完好的工程实用工程为目的，并按所需知识点将工程工程划分成多个功能模块，每个模块作为一个实验工程，实现虚拟与现实相结合。工程设计从模块到综合、局部到整体、根底到扩展，循序渐进，最终完成一个完好的工程实训工程，从而实现以工程思想为导向的模块化综合性实验教学改革，最终到达实在进步学生的学习兴趣和理论才能的目的。

关键词：工程思想；模块化；数字电子技术；实验教学

本文引用格式：阮国龙,等.基于工程思想的模块化综合性实验教学改革与理论[J].教育现代化,2022,6(42):55-57.

一引言

加强工科学生的工程理论和创新才能培养是高等教育的重要任务，尽管局部高校在确定转型开展后重新修订了培养方案及课程教学大纲，但教学内容和方法仍然没有本质性改变，实验内容仍然比拟简单，实用性不强；各实验工程关联性不强，缺乏系统性；实验要求比拟单一，没有考虑到因人而异；实验方式相对单一，实验效果较差。

随着电子技术和信息技术的飞速开展，电子电气信息产业亟需大量厚根底、高素质、强才能的高级应用及创新型人才，这就迫切需要我们在理论教学过程中需结合工程实际，精选教学内容，重组知识构造，构建科学合理的理论教学体系，加强学生工程工程设计实战训练，着力培养学生的工程理论才能。

二改革思路

针对目前电子电气信息类学科根底课程实验内容系统性、综合性和实用性不强等问题，以培养学生工程理论才能和创新才能为目的，以设计接近实际应用的工程工程为实训内容，并根据个人才能差异，设计不同层次的实验任务，培养学生理论兴趣，激发学生潜能和创新才能，从而使学生既深化掌握知识，又实在进步工程理论才能和科技创新才能。

〔1〕对课程知识点作进一步梳理，列出需重点通过理论方式训练学生的相关内容。

〔2〕根据课程教学任务，设计适宜作为相关课程实验实训的工程实用工程。确定工程工程的设计任务、模块功能及相关要求。

〔3〕确定工程工程中各功能模块的设计任务和技术要求，每个功能模块的设计作为一次实验工程的内容，设计任务分根本局部和扩展局部，根本任务要求每个学生必须完成，扩展局部作为局部学生的进步要求。

三方案设计

以电子电气信息类专业学科根底课?数字电子技术?为例，整门课程要求学生重点掌握逻辑代数、组合逻辑电路的分析和设计、锁存器和触发器、时序逻辑电路的分析和设计、555定时器的应用、数模和模数转换等内容，实验内容应包含学生需重点掌握的知识点。

〔一〕工程工程的拟定

为能在一个工程设计工程中涵盖课程及大纲要求的绝大多数核心内容，经分析比照，最终选择"交通灯显示及控制电路的设计";为课程实验需完成的工程工程。因为此工程与日常生活结合严密，涉及课程中的绝大多数核心内容，同时还能方便将此工程的设方案分为多个功能模块，分别安排在不同的时间段完成，与理论教学保持同步。在各功能模块完成后，也方便将各功能模块进展整合，最终形成一个完好的工程设计。

〔二〕实验工程的设计

根据交通灯显示及控制电路的整体功能要求，可将整个工程划分成几个功能模块，即显示模块、控制模块和计数模块等三大模块。显示模块实现两组红黄绿交通信号灯的交替变化显示，控制模块生成可以按照交通管理控制信号灯工作状态自动转换的控制信号，计数模块实现按指定时间切换不同的控制信号。按整个工程10学时，每次2学时，可分成以下5个实验来完成。

实验一：SSI组合逻辑电路设计

实验任务：用红、黄、绿三色LED灯作为信号灯，设计一个十字路口的交通信号灯显示电路，信号切换由人为控制。

主要器件：74LS04〔反相器〕、74LS08〔2输入与门〕、74LS00〔2输入与非门〕、LED等。

实验原理：用00、01、11、10分别表示四种不同的工作状态，工作状态及其功能表如下。

根本要求：

〔1〕根据真值表，写出逻辑表达式并化简。

〔2〕用非门和与门，设计逻辑电路图。

〔3〕在PROTEUS软件中画出仿真电路图并仿真，观察实验现象，假设需要，重新修改电路，直到实验现象正确为止。

扩展要求：

假设逻辑器件只能使用二输入与非门〔74LS00〕，重新设计逻辑电路并仿真。

实验二：MSI组合逻辑电路设计

实验二与实验一的任务一样，但要求所选用的器件不同。目的是让学生纯熟掌握用典型的组合逻辑集成电路设计电路。

主要器件：74LS138〔译码器〕、74LS153〔数据选择器〕等。

实验原理：用138译码器或153数据选择器实现逻辑函数的原理，将实验一中AG、AY、AR、BG、BY和BR六个输出变量的逻辑表达式转化成为最小项表达式并实现。

根本要求：

〔1〕利用138译码器实现AG、AY、AR、BG、BY和BR六个输出变量的逻辑函数，画出逻辑电路图。

〔2〕在Proteus中画出仿真电路图并仿真运行，观察实验结果，调试修改，直到运行正确为止。

扩展要求：

利用74153数据选择器代替138译码器，重新设计电路，实现以上功能。

实验一和实验二均属于显示模块，但一个是用逻辑门电路实现，另一个是用中小规模组合集成电路实现。

实验三：集成触发器及其应用电路设计

实验任务：在前两个实验中，均是利用手动触发电平的方式实现00、01、10、11四个输入状态的转换，四个状态不能自动按一定顺序转换。此实验利用两个状态转换控制信号，实现00、01、11、10四个状态的有序变换。本实验属于控制模块局部。

主要器件：74LS74〔D触发器〕、74LS153〔数据选择器〕等。

实验原理：利用74LS74〔两个D触发器〕，实现00、01、11、10四个状态的顺序变换，状态转换的时间由外部控制信号TL和TY控制。状态转换表如下：

利用根本的逻辑门或数据选择器，即可实现两个触发器的鼓励信号产生电路。

根本要求：

〔1〕根据实验原理，利用根本逻辑门，写出D1和D0的鼓励方程。

〔2〕利用D触发器74LS74，设计逻辑电路图。

〔3〕在Proteus中画出仿真电路图。根据表2中TY和TL的变化情况，改变TY和TL的逻辑电平，仿真运行，观察触发器输出变化和交通灯的显示情况，直到运行正确为止。

扩展要求：

用四选一数据选择器74LS153代替根本逻辑门，重新设计鼓励信号生成电路，使得电路更简化。

实验四：时序逻辑电路的设计

实验任务：在实验三中，TL和TY是通过人为控制的，本实验要求利用计数器设计一30秒计时电路，到达25秒时使TL从0变为1，1秒后再回复为0，到达30秒时使TY从0变为1，之后再回复为0，如此自动重复下去，从而能自动隔时产生驱动交通信号灯交替显示的控制信号TL和TY。

主要器件：74LS161、7SEG-BCD、DCLOCK等。实验原理：根据交通信号灯点亮规那么，用计数器实现定时功能，计数器可选用74LS161同步计数器或其他可逆计数器。假设用161计数器和秒时钟DCLOCK，那么从0计数到24时使TL=1，计数到29时使TY=1，从而自动生成两个控制信号，计数过程如下：

本实验就是要设计一个30进制的计数器，并生成TL和TY两个变量的表达式，利用根本逻辑门，实现TL、TY以及,TL和TY。

根本要求：

利用161计数器设计一30秒计时电路，当从0计数到24秒时使TL从0变为1，1秒后再回复为0，计数到29秒时使TY从0变为1，之后再回复为0，如此自动重复，驱动交通信号灯的交替显示。同时用两个七段译码显示器，显示当前计数值。

扩展要求：

利用可逆计数器74HC169代替161，设计成十进制30秒倒计时，同时用两个七段译码显示器，显示数字29-00，当计数从29计数到5时，使TL从0变为1，1秒后再回复为0，计数到0秒时使TY从0变为1，之后再回复为0，如此自动重复下去，驱动交通信号灯的交替显示。

实验五：综合数字电路的设计

实验任务：整合前四个实验的电路，完成一个完好的十字路口交通信号灯显示及控制电路。

根本要求：

〔1〕在Proteus中将前四个实验设计的电路整合到一起，形成一个完好的电路。

〔2〕整体运行调试，直到结合运行正确为止。扩展要求：

〔1〕用555芯片和相关器件实现周期为1秒的脉冲信号，取代虚拟时钟DCLOCK。

〔2〕将仿真运行通过的电路转换为PCB图，并做成实物，完成整个交通信号灯显示及控制电路的设计与实现。

〔三〕实验工程设计小结

以上五个实验工程的设计，每个工程与整门课程的教学方案保持同步，既相对独立又互相关联，从局部到整体，从简单到复杂，先虚拟再现实，循序渐进，针对性和操作性都很强。五个实验工程均设有根底要求和扩展要求，可因人而异，因材施教，充分发挥每个学生的积极性和学习潜能。

四应用效果

此改革方案在我校电子电气信息类专业已试用两年多，在多方面获得了良好效果，主要如下：

〔1〕课程实验以设计一个完好的工程实用工程为目的，与日常生活实例严密结合，明显进步了学生的学习兴趣和理论动力。

〔2〕对一个完好的工程工程按知识点划分成假设干个功能模块，每个模块作为一次实验内容，与课程教学保持同步，大大加深了学生对相关知识点的理解。

〔3〕对每个功能模块和整个工程工程设计根底要求和扩展要求，既可让大多数学生完成根本任务，又可鼓励局部学生进展功能扩展，激发了多数学生的学习潜能和创新欲望。

〔4〕让学生最终完成一个功能相对完备的工程实用工程设计，前期用虚拟仿真设计电路，然后完成实物组装和调试，从虚拟与现实结合，从课内与课外，从整体到局部再到整体，经历了一个工程工程的系统设计过程，为完成高质量的复杂工程工程和作品设计奠定了根底。

参考文献

【1】陈大钦，罗杰.电子技术根底实验〔第三版〕[M].北京：高等教育出版社,2022.

【2】康华光.电子技术根底〔数字局部第五版〕[M].北京：高等教