双创背景下电子产品设计课程的教学改革研究

张红红 连卫民

摘  要： 传统电子产品设计课程的教学比较枯燥难懂，或是资源浪费且易发生危险。在“大众创业，万众创新”的双创背景下，提出课程的教学模式改革。运用先进的电子产品设计软件，采用案例式教学模式，增强了课程的趣味性和吸引力，加快了产品设计的周期。实践结果表明，该方式教学效果良好，学生能够更加专注于电子产品的设计和创新改进，更有利于培养其创新精神，使之更好地适应双创社会环境。

关键词： 双创; 电子产品设计; 教学改革; EDA; Proteus

中图分类号：G642.0          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2019）09-91-05

Research on the teaching reform of electronic product design curriculum in the background of innovation and entrepreneurship

Zhang Honghong1，2， Lian Weimin1

（1. School of Information Engineering， Henan University of Animal Husbandry and Economy， Zhengzhou， Henan 450044， China;

2. School of Computer Engineering and Science， Shanghai University）

Abstract： The traditional teaching of electronic product design curriculum is either dull and difficult to understand or wasteful and dangerous. In the context of "mass entrepreneurship and innovation"， this paper proposes teaching mode reform for the curriculum. Using the advanced electronic product design software， the case teaching mode is used to enhance the interest and attractiveness of the course， accelerate the cycle of product design. The practice results show that the teaching mode has a good effect， students can be more focused on the design of electronic product and innovation and improvement， which is more conducive to cultivating their innovative spirit， make them better adapt to the social environment of innovation and entrepreneurship.

Key words： innovation and entrepreneurship; electronic product design; teaching reform; EDA; Proteus

0 引言

在“大众创业，万众创新”[1-3]的双创背景下，如何培养具有创新能力的人才，是新时代背景下教育所面临的一个巨大的挑战。因此，双创背景下电子产品设计课程也不例外的需要探索其教学改革。

1 教学模式改革

1.1 传统教学模式及存在的问题

高校传统的电子产品设计课程的教学模式主要有两种：一种是理论式教学，教师通过黑板或投影讲解电子产品的设计原理;另一种是实践式教学，在专用的焊接室，让学生自己焊接简易的物品。第一种理论教学，大多数学生会觉得枯燥难懂，容易产生厌学情绪，影响教学效果。第二种实践教学，需要专门的实验室和大量设备及器件，对教学资源有较大占用[4];而且实验由于某些环节的错误导致产品失败，反复多次实验又导致大量浪费;有时虽然实验成功了，但有的学生并没弄明白产品的设计原理;还有些学生在操作過程中由于粗心大意发生触电、烫伤等事故。

1.2 新型教学模式

本文针对以上两种教学模式的不足，提出了利用电子产品设计软件进行案例式教学的教学模式改革。利用软件进行电子产品设计，需要学生掌握产品原理，依次按部详细设计，这有利于加深他们对设计原理的理解，而且通过软件可以直观地观察到产品完成后工作效果，增加了学习的趣味性和吸引力，极大地增强教学效果[5];不需要专门的实验室和设备器材等，而且软件设计方便反复查错和修改，节约了大量的教学资源，同时避免了学生在学习过程中发生危险。新的软件设计方式加快了电子产品设计的流程、缩短了设计周期，学生可以更加专注于产品设计，不断提出产品的改进和创新，有利于培养创新精神。

Proteus是“电子产品设计”课程所用主要的应用工具。Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司开发的电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）软件，从原理图到代码调试，再到CPU与外围电路的协同仿真，实现了从概念到产品的完整设计。Proteus支持IAR（Ingenj?rsfirman Anders Rundgren）、Keil、Matlab等多种编译器。

2 案例教学模式

下面通过案例来讨论教学模式的改革。流水灯系统是电子产品设计的经典入门案例，学习该系统，可以使学生掌握电子产品设计的思路、流程、方法及具体的设计技巧[6]。

2.1 概念及原理

流水灯是一组灯，通过程序控制这组灯按照指定的规律发光和熄灭，形成的流动视觉效果如行云流水一般，故名流水灯。这里的灯是LED（Light Emitting Diode，发光二极管）灯，如图1所示，其中（a）是电子设计和实验用的指示灯，（b）是许多灯珠组合而成的LED灯，（c）是简易节能LED灯泡，（d）是目前家庭客厅或场所照明常用吸顶灯，（e）是街头LED广告牌。LED是半导体二极管的一种，由一个PN结组成，当给其加上正向电压后，从P区过来的空穴在PN结附近与N区的电子复合，从N区过来的电子在PN结附近与P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同材料中空穴和电子的能量状态不同，在复合时发出的能量多少也不同，于时发出光的波长不同，进而有了各种颜色的发光二极管，如红（砷化镓）、绿（磷化镓）、黄（碳化硅）、蓝（氮化镓）等。但是，没有一种材料可以发出白光。2014年诺贝尔奖获得者中村修二博士发明了蓝光LED，为白光LED奠定了基础，即在原来PN结的基础上增加了一个荧光粉涂层，反射的黄光与原来的蓝光混合后产生了白光。

流水灯系统的功能是若干个LED灯按照一定的规律交替亮灭。设计原理分析如下：LED灯的正负级通电可以发亮，断电可以熄灭，所以需要控制通过LED 灯的电流有无，可以采用最常用的51单片机来进行控制。为了简化控制，可以使若干个灯的正极统一接电源，负极分别接到单片机的某些I/O口。通过代码来控制单片机相应I/O口的输出电平高低，使得所接LED灯时而有电流通过（亮）、时而无电流通过（灭），进而实现流水灯的功能。

2.2 设计流程

如同计算机包含软硬件一样，电子产品的设计也包括软硬件两部分，共同配合来完成电子产品的功能。硬件部分就是在Proteus工具下进行的工程开发，包括元器件选型和布局、原理图布线、加载程序运行、错误检查和修正等，工程设计的详细流程如图2（a）所示。软件部分选用keil μVision工具进行C语言的编码和调试，包括新建项目和文件、处理器选择、设置编译环境、编写代码反复调试，编码设计的详细流程如图2（b）所示。软件调试通过的代码要加载到工程中去检测是否完成所需的功能，即图2（a）中“Load Program”步骤。如果不能完成指定的功能，需要回溯调试各个部分，包括元件选型、电路连接以及软件编码，反复调试直到成功。

2.3 教学重点和难点

在教学过程中，要注重把握案例教学的重点和难点。在电子产品设计的教学中，重点是让学生通过案例的学习掌握整个电子产品设计的流程。难点之一是功能分析和原理设计，难点之二是实现代码。在教学过程中，要提醒学生注意一些操作细节，避免弯路和错路。比如工程开发中的CPU 选型与代码设计中的处理器选型要一致;发光二级管的方向不要弄错，软件中可以通过空格键来调整方向等。

在教学过程中，要注意与实践相结合。①二极管是有方向性的，无论是在原理设计还是在实践焊接中，都要注意不要把正负极方向搞错。②普通二极管在导通之后，所分得的电压一般为0.7V;发光二极管在导通之后，所分得的电压一般是1～2V，电流值为5～20mA，如果电流小于5mA，发光二极管将不会被点亮，如果大于20mA，发光二极管将会损坏;而单片机I/O口的电压通常为5V，所以在设计过程中，要注意加上一个分压电阻，通常选用在实践中常用的220欧姆电阻。

2.4 案例实践

流水灯系统所需元件不多，清单如表1所示。

本例采用四个流水灯，设计好的原理图连接如图3或4所示。图3或图4的区别在于器件布线时是否采用总线方式，图3是直连，图4采用了总线连接。直连方向由于是两个引脚间直接相连，所以不必标注每条连续的名称;总线连接则不同，必须详细标注每条线的名称，因为它们统一接入了总线，如果不标示清楚，则系统不知道哪两条线是对应连接的，会直接导致系统功能出错。

C代码实现如下：

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

sbit P10=P1^0;

sbit P11=P1^1;

sbit P12=P1^2;

sbit P13=P1^3;

void delay（uint x）

{

uchar tw;

while（x-->0）

{

for（tw=0;tw<125;tw++）;

}

}

void main（void）

{

P1=0xff;

delay（100）;

P10=0;

delay（100）;

P10=1;

P11=0;

delay（100）;

P11=1;

P12=0;

delay（100）;

P12=1;

P13=0;

delay（100）;

}

其中頭文件中包含了单片机中的各种端口和寄存器的定义，delay函数是延时函数，用来延缓流水灯的亮灭过程，使人眼能够清晰地分辩。sbit P10=P1^0;是单片机的位操作，每位用来控制一个LED灯。

以上是通过案例教学来探讨教学模式改革，这种方式趣味性强，使学生摆脱了枯燥的理论学习，快速看到运行结果使学生获得一种成就感。而且，这种方式让学生专注于设计环节，不断创新，开发出自己的电子产品。以下展示部分学生作品。

3 教学效果展示

图5所示是一个花式流水灯系统。该同学在教学案例的基础上，创新如下：①花式流水灯采用8个，流水灯由原来的共电源改为自己的共地;②在案例基础上增加了时钟电路和可以交互的复位电路;③流水花样繁多，由单一的从上到下流动改为上下双向流动加不同灯数闪烁不同次数，而且把自己的学号应用于灯数和闪烁次数上。

图6所示是一个音乐播放系统，原理图非常简单，只在单片机的P1.3口上接了一个扬声器Sounder，该同学的创新和难点在于代码部分。

void Buzzer（int Tone，int Beat）

{

int i=0;

Beat_val=Beat;

EA=1;

while（Beat_val>0）

{

Beep=1;

i=Tone;

while（i）

{

i--;

}

Beep=0;

i=Tone;

while（i）

{

i--;

}

}

EA=0;

}

其中Tone参数用于控制音调，Beat参数用于控制节拍，写出不同的音调、节拍数组，就可以播放不同的音乐。

图7所示的是一个交通灯系统，该系统的创新和难点在于把发光二极管和七段数码结合起来，实现了具有现实意义功能的交通灯。该系统模拟了一个十字路口四个方向的红绿灯运行情况，设定了3秒的黄灯时间，另一个方向在黄灯结束1秒之后红灯变为绿灯，截图正是水平方向黄灯即将结束时的系统状态。

图8所示为一个8*8点阵的显示系统。系统中使用了排阻，简化了系统设计。点阵结构的难点在于实际使用的点阵各引脚顺序不是有序排列的。该系统设计显示了0、1、2…9，A、B…F的十六进制数，心型等图案以及一些汉字。截图是显示中国的“中”字运行效果图。

4 结束语

本文针对传统电子产品设计课程教学方式的不足，提出基于电子设计软件的案例式教学模式，通过案例教学使学生掌握电子产品设计的流程和方法，专注于产品设计的创新和改进。教学实践结果表明，该模式教学效果良好，有利于培养学生的创新精神和创业思维。我们下一步的研究方向和目标为进一步深化課程改革的模式，扩大课程改革的范围，推进课程改革的应用，希望为双创环境提供一大批创新型人才。

参考文献（References）：

[1] 李克强.2014夏季达沃斯论坛报告[R].世界经济度论坛，2014.9.10.

[2] 李克强.2015政府工作报告[R].中国政府网，2015.3.5

[3] 国务院.国务院关于推动创新创业高质量发展打造“双创”升级版的意见[Z].中国政府网，2018.9.26.

[4] 原松梅. “双一流”背景下C++程序设计双语教学实践与探索[J].计算机教育，2018.10：110-112

[5] 蔡增玉，张建伟，张启坤等.面向双创的网络工程专业实践教学改革研究[J].计算机时代，2018.12：78-79

[6] 何欣，刘俊男，廖先富.新工科背景下的网络工程专业实验教学体系[J].计算机教育，2018.9：133-136