数字电路综合实验设计案例驱动法教学探讨
文章编号：1672-5913（2017）07-0140-04
中图分类号：G642
0 引 言
数字逻辑设计及应用是高等院校电气信息类学科中一门重要的学科基础课程，既有自身的理论体系，又有很强的实践性，还是数字电路系统设计的先导课程，在整个人才培养中起着承上启下的作用。
案例驱动教学法将以传授知识为主的传统教学理念，转变为以解决问题并完成任务为主的互动式教学理念；将再现式教学转变为探究式学习，使学生处于积极的学习状态，让每一位学生都能根据自己对当前问题的理解，运用已有的知识和个人体验提出解决方案并最终解决问题。
1 实验平台
数字电路/ARM7嵌入式系统多功能教学科研平台如图1所示。该平台以FPGA（field programmable gates array，现场可编程门阵列）为核心，以综合性和创新性实验为导向，具有丰富的外设接口以及丰富的设计资源。借助该平台，学生可以使用EDA（electronic design automatic）技?g实现复杂的数字电路设计，不仅能强化学生的实践应用能力[1]，而且能使设计风格更灵活、设计效率更高。借助该平台，可以进行一系列数字电路综合实验设计，借助于案例驱动教学法，提高学生的设计创新能力和实践应用能力。
2 “LED点阵显示”案例驱动教学
“LED点阵显示”案例驱动教学需根据任务驱动五步教学法实现，分别为理论讲解（听）、案例教学（看）、强化训练（做）、归纳总结（思）和实战应用（查）。
2.1 理论讲解和案例教学
数字电路/ARM7嵌入式系统多功能教学科研平台中8×8 LED点阵显示电路原理图如图2所示。由图2知，要想点亮LED灯，只要LED的阳极接高电平、阴极接低电平即可。假定要实现第1个LED灯亮，令DISP-CS7=0，DISP-CS0～DISP-CS6为1，则PNP管（Q9）导通，Q9发射极的3.3V电压即加到第1列LED的阳极，令DISP-D0=0，DISP-D1～DISP-D7为1，则第1个LED灯亮。假定要实现第1列LED灯亮，令DISP-CS7=0，DISP-CS0～ DISP-CS6为1，令DISP-D0～ DISP-D7均为0，则第1列LED灯亮。
2.2 强化训练
根据理论讲解和案例教学，学生能学会如何控制某一个或某一列LED灯亮，教师可以布置任务让学生点亮任何一个或者任何一列（行）LED灯。通过实践练习，学生能够轻而易举地点亮LED灯。这个简单的点灯实验能够帮助学生建立设计电路的自信心，满足学生设计电路的成就感，激发他们对设计复杂电路的渴望。
此时，教师可以适当加大实验难度，如实现LED点阵按列（行）依次点亮。这时，学生会根据自己的想法控制LED点阵按列（行）点亮，教师的角色则应该由教变为导，参与学生的设计中并且在适当的时机给予一定的引导。如果学生能够想到可以令DISP-D0～DISP-D7为0，而将DISP-CS0～DISP-CS7轮流置为0，就可以实现LED点阵按列点亮；或者令DISP-CS0～DISP-CS7为0，而将DISP-D0～DISP-D7轮流置为0，则可以实现LED点阵按行依次点亮。此时，教学过程已经从再现式教学转变为探究式学习。
一旦学生意识到这个关键的技术点，他们就会立即想到由计数器加上译码器实现LED点阵的依次点亮，因为上述案例和跑马灯的设计非常相似。74154实现数码管和LED点阵的控制原理图如图3所示，其原理可以参考文献[1]，学生可以用74154芯片（电路板上芯片）和计数器（由FPGA实现）实现案例设计。LED阵列按列点亮原理图如图4所示，其中的插图即为某列LED灯点亮图。在这个案例中，学生可能会对系统时钟clk频率（49.152 MHz）进行不同的分频，此时，教师应该将任务具体化为肉眼能够分辨出LED点阵是按列点亮即可。
此时，教师可以再次加大实验难度，如实现LED点阵按灯依次点亮。教师可以引导学生：①假定DISP-CS*为0，设置DISP-D0～DISP-D7轮流为0，可以实现LED点阵第*列LED灯依次点亮；②假定DISP-CS0～DISP-CS7轮流为0，且DISP-CS*为0的时间刚好可以实现第*列LED灯依次点亮完毕；③假定条件成立。一般情况下，学生基于前面的设计体验再加以教师的适当引导，就可以想到借助74138实现LED点阵按灯点亮。
LED点阵按灯点亮原理图如图5所示。当disp_sel[2：0]为0时，74138的输入端会在000～111之间变化一次，此时，co[1]～co[8]便依次出现低电平，则DISP-CS0所对应的LED列就会依次点亮；当disp_sel[2：0]在000～111之间变化时，可以实现LED点阵按灯依次点亮。此时，教学过程已经从以传授知识为主的传统教学理念转变为以解决问题和完成任务为主的互动式教学理念。
2.3 归纳总结
“学而不思则罔，思而不学则殆”，通过案例驱动式教学，学生要将自己习得的理论知识和实践经验感悟内化为自己的能力，通过归纳总结得出设计规律，拓展设计电路的种类，提升自己设计的能力。
2.4 实战应用
在案例驱动的最终步骤实战应用中，教师须要求学生根据相应的资料和提示用LED点阵实现字母和数字显示。资料包括：①PCtoLCD2002的使用；②用MegaWizard Plug-in Manager创建ROM的方法；③LED点阵的动态显示原理。提示包括：①使用PCtoLCD2002生成字母或数字的字模，其中字模中1为点亮的LED灯，0为熄灭的LED灯；②字模放在ROM中等待调用；③LED点阵行线DISP-D0～DISP-D7由字模控制，LED点阵列线DISP-CS0～ DISP-CS7则由disp_sel[2：0]控制；④LED点阵要稳定地显示字母和数字，需要LED点阵的行和列以极快的频率扫描，基于视觉暂留现象和LED点阵余晖，便得到稳定的设计字符。8×8 LED点阵实现字母和数字的原理图如图6所示，其中插图部分是实现显示的数字9、7和字母Y、D。
一般情况下，大约10%的学生可以根据资料和提示设计出电路图并利用试验箱完成设计任务，而这10%的学生又可以迅速将设计分享给暂时没有解题思路的学生，从而形成团结紧张、拼搏钻研的学习氛围。
3 结 语
借助数字电路/ARM7嵌入式系统多功能教学科研平台，通过游戏教学[1-4]和案例教学，学生理解课程的能力和动手能力均得到大幅度提升，数字逻辑电路教学改革也得到较好地推进。该平台在众多兄弟院校中使用，得到很多积极的评价，如创新实验设计新颖独特、实验平台功能完善、教学思路新颖、值得推广等；而案例驱动的教学方式既能为学生提供理论指导，又能为学生提供实践和感悟问题的情境。任务的完成既能让学生获得满足感和成就感，又可以激发他们的求知欲，从而提高学习效率，培养学生的学习兴趣，改变学生的学习状态，使学生建构起探究、实践、思考、运用和解决问题的研究学习体系。
