基于Multisim 10的數字電子技術課程教改研究

【摘要】針對數字電子技術基本理論枯燥、實踐性很強的課程特點，將Multisim 10仿真技術應用到教學中，可彌補傳統教學手段的不足，大大提升教學質量。本文介紹優(yōu)秀電路仿真軟件Multisim 10在數字電子技術課程教學中的應用。主要內容包括數字電子技術課程的性質與特點、傳統教學方法存在的不足、基于Multisim 10的數字電子技術教學方法、結束語。

【關鍵詞】數字電子技術；教學改革；Multisim；科研成果

引言

本文是貴州省職業(yè)教育學會科研規(guī)劃2013—2014年度立項課題“基于仿真軟件的電子信息類基礎課程教改研究”階段性成果之一。著重介紹基于Multisim 10的數字電子技術課程教改方案。

一、數字電子技術課程性質與特點

數字電子技術是電子信息類學科的一門重要的專業(yè)基礎課，實用性很強。其教學目標是讓學生理解數字電路的工作原理與邏輯功能，掌握數字電路的分析與設計方法，具有應用數字邏輯電路，初步解決數字邏輯問題的能力，最終能根據要求設計出較合理的電路。為以后學習有關專業(yè)課程及進行電子電路設計打下堅實的基礎。因此，該課程既包含了邏輯性強的理論又包含了很多具體實踐應用環(huán)節(jié)。同時，學習數字電子技術還有助于提高一個人的邏輯思維能力，培養(yǎng)其做事仔細認真的態(tài)度。然而，由于在職業(yè)院校該門課程通常是在第一個學期開設，對于剛剛踏進職業(yè)院校大門沒有任何電子技術基礎的高職新生來說學習本門課程有一定的難度。有的同學還是文科生，更難以接受。他們會感到這門課程理論枯燥，實驗無味，這極大地限制了該門課程教學質量的提高。教學改革勢在必行。

二、傳統教學方法存在的不足

對于數字電子技術這門課程，傳統教學方法是老師在黑板上講解理論（或改用多媒體播放老師事先做好的PPT），課后安排學生到實驗室做實驗以驗證老師課堂上所講的理論。這種教學方式存在以下幾個方面的不足。

首先，理論教學過程中“教學練”有待加強。在理論教學中，如果“教”仍然是老師在黑板上灌輸知識式的教學，在教學的全過程中教師就很難充分調動學生的主動性，突出受教育者的積極參與。按照傳統的教法，往往大半學期過去了，學生只知道各種數字器件的名稱和內部電路原理，但不清楚學了有什么用？更不知道如何用這些器件組成數字電路系統。因為缺乏一個練的平臺，這里的“學”也僅僅是學會老師所教的知識，對于更重要的內容如學習的方法，自學能力的提高，學生獨立思考能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，仍存在一定程度的缺失。

其次，實驗教學有待加強。在數字電子技術實驗教學中，傳統的教學方法是要求學生完成某一典型電路的驗證，其內容、步驟、電路、儀器等都是事先安排好的，學生只須按照實驗指導書安排的順序一步一步操作就能完成實驗，或者即便學生有不同的思路，但因受實驗條件限制也無法開展。因有些實驗設備昂貴，特別是較為先進的實驗設備，許多學校資金不足難以購買。這樣造成的結果是限制了實驗內容和形式的豐富多彩。通過實驗學生雖然能夠學會一些儀器的使用和操作技能，但這樣的實驗結果和實驗報告往往是千篇一律、大同小異，不能真正提高學生分析問題、解決問題的能力，也難以激發(fā)他們的求知欲和創(chuàng)新精神。

最后，滿意的課程設計很難完成。在傳統的數字電子技術課程設計中，要耗費很多時間來分析和搭建電路，然后用相應的測試儀器進行測量，這樣設計開發(fā)時間長，效率低，一旦出錯，往往要重新更換元器件，參數修改也不方便，不利于設計者高效完成設計思想。

針對以上情況，我們課題組在數字電子技術教學過程中引入Mulstimi 10軟件，大刀闊斧地對數字電子技術傳統教學方式進行改革，把學生的理論知識學習、實踐能力培養(yǎng)和綜合素質提高三者緊密結合起來。

三、基于Multisim 10的數字電子技術教學方法

為了借助仿真軟件Multisim 10來完成數字電路的教學，在內容安排上，我們采用模塊式的教學方式。各個模塊的安排由淺入深，循序漸進。在進行教學試驗時我們將整個數字電子技術課程分成數字電子技術基礎知識、組合邏輯電路、時序邏輯電路以及脈沖整形電路等四個模塊。數字電子技術基礎知識模塊主要內容包括邏輯代數的概念、數的進制及其相互轉換、邏輯函數的表示方法及其相互轉換、邏輯代數的基本公式與定理、邏輯函數的化簡方法以及基本邏輯門電路等內容。組合邏輯電路模塊主要內容包括組合邏輯電路的基本分析和設計方法、常用組合邏輯電路（如加法器、編碼器、譯碼器等）、組合邏輯電路中的競爭冒險、中規(guī)模集成組合邏輯器件的功能以及用中規(guī)模集成器件實現組合邏輯函數等。時序邏輯電路模塊主要內容包括基本觸發(fā)器（如RS，JK，D，T等）及其相互間的轉換、同步時序邏輯電路的分析方法和設計方法以及常用時序邏輯電路（如計數器、寄存器等）。脈沖整形電路模塊主要內容包括集成555定時器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器以及多諧振蕩器等。

在教學方法上，用Multisim 10進行仿真教學宜采用教師用多媒體進行邊講解邊演示，然后由學生實際操作并由現象歸納總結或相互討論得出相關結論的方式。例如，在講解與門電路時，我們在Multisim 10環(huán)境中建立如圖1所示仿真電路。其中7408J為四-二輸入與門，這里用了其中的一個，X1為指示燈，接在與門輸出端。當與門輸出高電平1時，X1亮，輸出低電平0時，X1滅。VCC為+5V直流電源，R1、R2為限流電阻。J1、J2為兩個單刀單擲開關，當開關閉合時與門相應的輸入端為低電平，否則為高電平。在簡單講解了結構與原理后，我們按表1進行仿真實驗。然后再進行邏輯假設，將開關斷開設為邏輯0，閉合設為邏輯1，燈滅設為邏輯0，亮設為邏輯1，于是得到表2所示的真值表。在此告訴同學們這就是與的邏輯關系，相應的電路就叫與門，其邏輯表達式為X1=J1#8226;J2。并要求同學們與或門等其他邏輯門電路進行比較。這種教學方式收到了極好的教學效果。

表1圖1開關與燈的關系表2圖1的真值表

開關J1開關J2燈X1J1J2X1

斷開斷開滅000

斷開閉合滅010

閉合斷開滅100

閉合閉合亮111

再如，在講解集成計數器芯片時，我們將理論教學選在配備了Multisim 10軟件的機房里進行。首先由教師將實訓項目“計數顯示器”引人，并利用計算機模擬真實實驗室的工作臺，讓學生觀察實驗結果如圖1所示。

該電路中基本RS觸發(fā)器（由兩個與非門U2A及U2B組成）

與開關J1共同構成單脈沖發(fā)生器（其產生的脈沖波形用虛擬示波器XSC1進行顯示），由計數器74LS161D對其產生的脈沖進行計數，計數結果進入字符譯碼器74LS48D（在組合邏輯電路部分已學習過）并驅動數碼管，使其顯示單脈沖發(fā)生器產生的脈沖個數。實訓時，只要按一下開關J1，單脈沖發(fā)生器就產生一個脈沖，數碼管所顯示的數字就會加1，當加到9時再回到0。即電路的功能是對輸人脈沖的個數（0～9）進行遞增計數，并通過譯碼顯示電路將手動輸入的脈沖數顯示出來。觀察了現象之后，向學生提出問題：74LS161D芯片的功能是什么?為什么稱之為計數器?與非門U2C完成什么功能？學生帶著問題聽老師講解電路原理。

在給學生時間自己練習的過程中，學生為了完成這個項目必須先去查手冊，了解計數器、譯碼器、數碼管、與非門等器件的管腳連接和功能表。通過該項目的制作和測試，學生就能很容易地弄清楚這些器件的功能和每個管腳的作用。通過查手冊獲得數字電路器件的使用方法，這對數字電路設計制作者來說是一種十分必要的技能。另外，在教學內容上和習題中我們還安排了許多諸如同類芯片如何級連?如何進行功能擴展?如何用通用計數器構成任意進制計數器等等這樣一些在實際工作中十分有用的技巧和方法。在整個項目中“講學練”相結合，取得了較好的教學效果。

四、結束語

實踐證明，在數字電子技術課程教學中引入仿真軟件Multisim 10不僅可以使學生掌握數字電子技術課程的基本知識和基本技能，同時還實現了教學方法與手段的改革與創(chuàng)新，能夠更大地發(fā)揮學生學習的主觀能動性，激發(fā)他們的學習興趣，提高他們的學習積極性，加深對所學知識的理解。此外，使理論教學與實驗教學有機結合，相互促進，使學生有更多鍛煉與學習的機會，能更快地提高其實驗能力。最終達到提高學生實際動手能力和培養(yǎng)科技創(chuàng)新意識的目的，為以后的工作和學習打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1]孫利華、余良俊，黃翠翠.仿真技術在數字電子技術教學中的應用.軟件導刊，2013年12月

[2]盧艷紅.基于Multisim 10的電子電路設計、仿真與應用.人民郵電出版社，2009年6月

基金項目：貴州省職業(yè)教育學會科研規(guī)劃2013—2014年度立項課題，課題編號：GZKT201378，課題名稱：基于仿真軟件的電子信息類基礎課程教改研究。