數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

張婧婧　李勇偉

摘要：結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)存在的問題，引出目前數(shù)字電路課程改革中面臨的困境，設(shè)計(jì)并列舉為改善課程教學(xué)效果和提高教學(xué)質(zhì)量而擬定的一系列改進(jìn)措施。從項(xiàng)目題庫的建設(shè)、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的定制、實(shí)踐方式的規(guī)范等方面直觀地剖析教改方案對學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)產(chǎn)生的積極影響。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；實(shí)踐教學(xué)；改革

0 引言

數(shù)字電路的課程理論通常以基本邏輯電路、組合電路、時(shí)序電路、存儲電路、時(shí)基電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路為主線有序展開，其相應(yīng)的課程實(shí)驗(yàn)也由易到難，分模塊進(jìn)行。在傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)踐課程中，主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括集成邏輯電路的連接和驅(qū)動(dòng)、組合邏輯電路的設(shè)計(jì)與測試、計(jì)數(shù)器及其應(yīng)用、555時(shí)基電路及其應(yīng)用、D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用等。依據(jù)上述5個(gè)基礎(chǔ)項(xiàng)目，計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院分別針對CMOS集成電路的驅(qū)動(dòng)、TTL集成電路的驅(qū)動(dòng)、數(shù)碼管的顯示、二三人表決器、兩位數(shù)值比較器、八進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路開展實(shí)驗(yàn)，形式均屬于驗(yàn)證型，因此實(shí)踐課程難度不大，收獲也不顯著。

為了改善學(xué)生課程實(shí)踐的效果，提高其實(shí)踐動(dòng)手能力，計(jì)算機(jī)與信息丁程學(xué)院調(diào)整了數(shù)字電路實(shí)踐課程模式，加入課程設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，針對電子及相關(guān)專業(yè)的130名本科生發(fā)布了12個(gè)課程設(shè)計(jì)選題。題目公布后，學(xué)生選題大致情況如圖1所示。

由圖1不難看出，學(xué)生對邏輯性強(qiáng)、上手較快的設(shè)計(jì)題目興趣較高，而綜合型設(shè)計(jì)題目幾乎無人問津。據(jù)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)，學(xué)生選題后的完成情況同樣不容樂觀，130名選課學(xué)生及作品中，94名學(xué)生能夠完成仿真電路設(shè)計(jì)；48個(gè)作品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)儀上的系統(tǒng)調(diào)試，其中僅有14個(gè)作品完成實(shí)物制作且實(shí)現(xiàn)了基本功能。在12項(xiàng)課程設(shè)計(jì)選題中，完成質(zhì)量較高的項(xiàng)目分別為病床呼叫器、16位廣告燈、智能搶答器、24秒倒計(jì)時(shí)器；完成質(zhì)量一般的包括交通燈、簡易鍵盤、數(shù)字密碼鎖、簡易電子琴、波形發(fā)生器；只能完成部分功能的項(xiàng)目是簡易的出租車計(jì)費(fèi)器、數(shù)字頻率計(jì)和數(shù)字電壓表。

隨著課程改革的深入和課程設(shè)計(jì)的嘗試，在突破了傳統(tǒng)教學(xué)的單一模式之后，計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院數(shù)字電路的課程實(shí)踐仍遭遇了知難而退的尷尬局面。針對現(xiàn)狀，筆者進(jìn)一步探討數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課改后幾個(gè)能夠明確改進(jìn)的方向。

1 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的題庫建設(shè)

就實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目而言，數(shù)字電路的實(shí)踐課程嘗試了9個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和12項(xiàng)課程設(shè)計(jì)，但與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多層次的特點(diǎn)相比，項(xiàng)目題庫還是略顯單薄。例如，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生已經(jīng)掌握了常用功能芯片（如數(shù)值比較器74LS85、計(jì)數(shù)器74LS192、NE555）的應(yīng)用，甚至包括數(shù)碼管的譯碼原理，但是當(dāng)選中課程設(shè)計(jì)的題目（如模擬出租車計(jì)價(jià)器）時(shí)，學(xué)生仍然會力不從心，這就意味著從基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目邁向課程設(shè)計(jì)，中間缺少橋梁。

數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)雖然分模塊進(jìn)行，但彼此關(guān)聯(lián)，容易形成不同層次的項(xiàng)目。此外，數(shù)字電路情境項(xiàng)目的素材豐富，與實(shí)際問題聯(lián)系緊密，如針對多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一個(gè)三角波發(fā)生電路用以結(jié)合三者，就能夠自然地建立起模塊之間的關(guān)聯(lián)，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，而在此基礎(chǔ)上完成波形發(fā)生器的課程設(shè)計(jì)，就使得課程設(shè)計(jì)變得直觀、有趣和理所當(dāng)然；又如在完成基本邏輯電路、555時(shí)基電路和計(jì)數(shù)器及數(shù)碼管的顯示等實(shí)驗(yàn)后，布置一個(gè)技巧性強(qiáng)的課程設(shè)計(jì)——數(shù)字頻率計(jì)對學(xué)生來說跨度較大，那么在此前先引入一個(gè)1s脈沖計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)，就能夠引導(dǎo)學(xué)生理順頻率測量的思路了。因此，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中不斷加入多層次的橋梁實(shí)驗(yàn)并按實(shí)驗(yàn)進(jìn)度發(fā)布題目，將有助于學(xué)生很好地建立課程設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)聯(lián)。

2 細(xì)化實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)和要求

數(shù)字電路課程的實(shí)踐和其他課程一樣由易到難，需要分層次進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)過程中除了需要區(qū)別實(shí)驗(yàn)的難易程度，還需要細(xì)化實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)和要求。

作為基礎(chǔ)課程，數(shù)字電路的課程設(shè)計(jì)通常安排在試驗(yàn)儀上搭建硬件和驗(yàn)證功能，有意識地降低了設(shè)計(jì)的難度。目前可供學(xué)生使用的實(shí)驗(yàn)資源包括各類芯片、數(shù)字電路試驗(yàn)儀、仿真軟件、示波器、萬用表、信號源、電路板的焊接工具等，而且試驗(yàn)儀的集成化程度有逐年升高的趨勢。若在此基礎(chǔ)上完成課程設(shè)計(jì)，雖然提高了設(shè)計(jì)的成功率，但是犧牲了培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的機(jī)會。

實(shí)物作品可以系統(tǒng)地鍛煉學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力，擺脫其眼高手低的現(xiàn)實(shí)局面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院數(shù)字電路的課程設(shè)計(jì)期間，只有29%的學(xué)生能夠?qū)⒃谠囼?yàn)儀上成功運(yùn)行的電路搬到萬用板上實(shí)現(xiàn)，可見其實(shí)物制作的水平有待大幅度地提高，但每個(gè)電路實(shí)驗(yàn)均要求實(shí)物制作并不現(xiàn)實(shí)，也不必要，所以對于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)可以安排學(xué)生在試驗(yàn)儀上完成，橋梁輔助實(shí)驗(yàn)可以通過仿真驗(yàn)證，課程設(shè)計(jì)則要求完成實(shí)物制作，這樣便可以兼顧學(xué)習(xí)效率和實(shí)踐目的。

3 加強(qiáng)仿真軟件的應(yīng)用

數(shù)字電路理想的設(shè)計(jì)通常是簡潔的硬件和完整的功能。硬件的簡單設(shè)計(jì)不僅能夠簡化制作的難度，更是系統(tǒng)穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)成本的要求，所以當(dāng)學(xué)生用15塊功能芯片設(shè)計(jì)一個(gè)10位數(shù)字密碼鎖時(shí)，應(yīng)該提醒他嘗試采用仿真軟件重新部署原理圖，簡化實(shí)驗(yàn)電路。

目前基于數(shù)字電路的仿真軟件包括Proteus軟件、Multisim軟件、ADS軟件等，這類軟件使用時(shí)易上手，仿真元件庫中資源豐富。無論是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、橋梁實(shí)驗(yàn)還是課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，首先應(yīng)該借助此類平臺搭建仿真電路，部署自己的元器件，驗(yàn)證設(shè)計(jì)原理。很多擁有電子設(shè)計(jì)經(jīng)歷的學(xué)生喜歡跳過仿真步驟，憑借經(jīng)驗(yàn)直接焊接電路，其成功率往往較低又容易挫敗設(shè)計(jì)的積極性。事實(shí)上，無論是從測試模塊能否正常工作、驗(yàn)證系統(tǒng)是否正常運(yùn)行方面，還是從電路能否繼續(xù)簡化或系統(tǒng)功能是否可以擴(kuò)展方面考慮，仿真實(shí)驗(yàn)都比硬件平臺實(shí)驗(yàn)更高效、更經(jīng)濟(jì)。

4

設(shè)計(jì)項(xiàng)目任務(wù)書

在課程設(shè)計(jì)的驗(yàn)收過程中，還暴露出電路設(shè)計(jì)的另一些問題，如簡易鍵盤不能保存鍵值，24s倒計(jì)時(shí)器總是循環(huán)啟動(dòng)，交通燈中黃燈不閃爍；出租車計(jì)價(jià)器計(jì)時(shí)但不能計(jì)費(fèi)，波形發(fā)生器采用高度集成函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)等，此類問題均應(yīng)該采用設(shè)計(jì)任務(wù)書的形式來解決。endprint

數(shù)字電路的課程設(shè)計(jì)任務(wù)書必須根據(jù)學(xué)生的知識水平和課程的理論進(jìn)度編寫。任務(wù)書中首先需要提出完整的設(shè)計(jì)功能，以便學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目的需求分析；其次添加與設(shè)計(jì)相關(guān)的知識點(diǎn)，既能提示學(xué)生設(shè)計(jì)的思路，也能防止其對高度集成芯片和網(wǎng)絡(luò)資源的過度依賴；最后應(yīng)該明確設(shè)計(jì)制作要求，避免模棱兩可的設(shè)計(jì)結(jié)果。以簡易病床呼叫器為例，筆者列出參考設(shè)計(jì)任務(wù)書，見表1。

通過后續(xù)課程設(shè)計(jì)的開展，設(shè)計(jì)任務(wù)書的形式和內(nèi)容還將不斷更新，以適應(yīng)學(xué)生的設(shè)計(jì)層次和知識水平。此外，發(fā)布任務(wù)書的過程也肩負(fù)著平衡課程設(shè)計(jì)難度的技術(shù)性要求，通過加、減系統(tǒng)功能，統(tǒng)一設(shè)計(jì)難度，降低選題的一邊倒趨勢。

5 積累芯片資料，建設(shè)模塊資源庫

為了逐步提高電路設(shè)計(jì)的成功率，有序提升設(shè)計(jì)的難度，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段，需要引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)備好一些常用的模塊，儲備自己的電路設(shè)計(jì)資源庫，如常見的數(shù)碼管顯示電路、普通編/譯碼電路、555脈沖發(fā)生電路、加減計(jì)數(shù)器電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路等。不僅如此，設(shè)計(jì)中還要注意不同芯片的選取和功能的區(qū)別，如在設(shè)計(jì)三角波發(fā)生器時(shí)，可參考的計(jì)數(shù)芯片不必是普通的74LS161芯片，而應(yīng)該是具有加減計(jì)數(shù)功能的74LS191芯片，這樣能夠在不偏離考察目標(biāo)的前提下大大簡化硬件的設(shè)計(jì)。同樣，由555構(gòu)成的脈沖發(fā)生電路能夠應(yīng)用于交通燈、24s倒計(jì)時(shí)器等多種時(shí)序電路中，此模塊只需設(shè)計(jì)一次就能滿足通用的要求。

6 結(jié)語

目前，計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院進(jìn)行的數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)只進(jìn)行了一輪，能夠推進(jìn)和優(yōu)化的課改措施已經(jīng)有了初步的方案，這就意味著在數(shù)字電路課程改革的推進(jìn)過程中，一定會有新的問題和新的解決方案不斷涌現(xiàn)出來，唯有如此才能有效地推動(dòng)學(xué)生實(shí)踐能力的增長，實(shí)現(xiàn)課程改革的最終目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京：高等教育出版社，2001：1-6.

[2]林濤，楚巖，田莉娟，等.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009：2-4.

[3]張星衛(wèi).數(shù)字電路課程教學(xué)改革的探索[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（增刊1）：96-97.

[4]邱紅.改革數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2006（1）：14-17.

[5]白靜，張雪英.數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)課程的教學(xué)實(shí)踐研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007（增刊1）：72-74.

[6]黃揚(yáng)帆，甘平.電子類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2009（3）：31-33.

（見習(xí)編輯：劉麗麗；編輯：宋文婷）endprint