數(shù)字邏輯電路課程教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)

劉 釗， 鄧春健

(1. 中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東 中山 528400; 2. 電子科技大學(xué) 中山學(xué)院, 廣東 中山 528402)

數(shù)字邏輯電路課程教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)

劉 釗1， 鄧春健2

(1. 中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣東 中山 528400; 2. 電子科技大學(xué) 中山學(xué)院, 廣東 中山 528402)

在數(shù)字邏輯電路課堂教學(xué)中，現(xiàn)有仿真軟件常常存在展示效果不佳、非電路的教學(xué)內(nèi)容不能模擬等缺點(diǎn)，為了彌補(bǔ)這些不足設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)字邏輯電路教學(xué)軟件。結(jié)合實(shí)例，對(duì)數(shù)字邏輯電路教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)思路和方法做了歸納，包括針對(duì)非電路知識(shí)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)，基本電路工作原理、工程案例等內(nèi)容的模擬方法。自行開發(fā)教學(xué)軟件可以因應(yīng)教學(xué)需要設(shè)計(jì)，具有較好的靈活性，對(duì)幫助學(xué)生理解和應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)，提升課堂教學(xué)效果具有積極意義。

仿真軟件； 理論教學(xué)； 軟件開發(fā)

0 引 言

數(shù)字邏輯電路課程是高等學(xué)校電子信息、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，課程具有內(nèi)容多、知識(shí)點(diǎn)分散，理論性和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)教學(xué)模式下，教師對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)往往只是進(jìn)行原理性陳述，應(yīng)用案例也生硬而空泛，再則教學(xué)手段落后，這些都是影響教學(xué)效果的重要原因。學(xué)生在學(xué)習(xí)完本門課程后往往收效不明顯，尤其是到了應(yīng)用環(huán)節(jié)常常無從下手。對(duì)比重點(diǎn)大學(xué)學(xué)生，獨(dú)立學(xué)院、高職院校學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不高，學(xué)習(xí)能力相對(duì)欠缺，課程的學(xué)習(xí)效果就更差。為了幫助學(xué)生學(xué)習(xí)課程，許多教師嘗試改革教學(xué)手段，例如在課堂教學(xué)中引入EDA仿真軟件，如Multisim，Proteus等[1-3]。雖然仿真軟件對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)電路原理有著較好的促進(jìn)作用，但教學(xué)過程還是存在一些不足，例如仿真軟件界面的冗余信息較多，且由于投影效果常常影響學(xué)生對(duì)仿真效果的觀察，演示時(shí)的交互性并不很好；一些非電路的教學(xué)內(nèi)容不能仿真模擬；另外，軟件一般都需要經(jīng)過較復(fù)雜的安裝過程后才能運(yùn)行案例，而這些仿真軟件操作也顯得復(fù)雜，并不適合剛學(xué)習(xí)課程的學(xué)生。

自行開發(fā)教學(xué)軟件可以因應(yīng)學(xué)生和課程特點(diǎn)來設(shè)計(jì)符合教學(xué)需要的軟件，能夠較好的彌補(bǔ)仿真軟件的不足。開發(fā)了大量數(shù)字邏輯電路教學(xué)軟件，每個(gè)教學(xué)軟件對(duì)應(yīng)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，課堂只需要通過鍵盤輸入、鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可觀察軟件運(yùn)行結(jié)果。這種教學(xué)手段可以給學(xué)生提供一個(gè)直接形象的感知背景，使抽象化、理論化的知識(shí)變得具體化、感性化，有利于增強(qiáng)知識(shí)點(diǎn)的直觀性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和活躍課堂氣氛，加深學(xué)生對(duì)教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容的理解和把握。

本文所開發(fā)教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)思路為：電路或知識(shí)點(diǎn)的基本原理可以直觀的表現(xiàn)；融合一些基礎(chǔ)的工程案例來幫助學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用方法；簡(jiǎn)單易用，便于安裝和分發(fā)，軟件可以在課堂上進(jìn)行功能演示，在課后學(xué)生也能夠直接學(xué)習(xí)使用。

1 非電路知識(shí)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字邏輯電路課程中有許多知識(shí)點(diǎn)不直觀，也不便于表述，如果能將這些較為抽象的知識(shí)點(diǎn)用形象化的教學(xué)軟件表達(dá)出來，則能夠增進(jìn)學(xué)生對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)的掌握。針對(duì)這類知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)教學(xué)軟件時(shí)可以借助生活中一些較為常見的例子來表達(dá)知識(shí)內(nèi)容，并能夠融入到軟件中。例如在講述時(shí)序邏輯電路基礎(chǔ)中狀態(tài)表(見表1)和狀態(tài)圖(見圖1)的概念時(shí)，課程還沒有學(xué)習(xí)到時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的例子，教師用語言來敘述不容易敘述好，學(xué)生對(duì)這樣的知識(shí)點(diǎn)很難一下理解深刻。狀態(tài)表是在一定的輸入條件下實(shí)現(xiàn)當(dāng)前狀態(tài)到下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，同時(shí)產(chǎn)生輸出的過程。這一過程就像電腦通關(guān)游戲，只要按照通關(guān)攻略就能夠一步步的過關(guān)[4-5]。

表1 狀態(tài)表

圖1 狀態(tài)圖

根據(jù)這一啟發(fā)，將狀態(tài)表和狀態(tài)圖的概念設(shè)計(jì)到一個(gè)卡通通關(guān)游戲中，如圖2所示。該游戲的“通關(guān)攻略”就在課本的狀態(tài)表和狀態(tài)圖的例子中[4]。如表1和圖1所示，卡通人物所處的位置即狀態(tài)，最初狀態(tài)在S0，當(dāng)X輸入1時(shí)，卡通人物狀態(tài)就變成了S1。如果學(xué)生稍微研究一下“攻略”，X輸入正確，卡通人物就能夠到達(dá)最頂端，并且在Y處輸出“1”，如圖2(b)所示。對(duì)于這樣輕松活潑又有些小挑戰(zhàn)的教學(xué)軟件，學(xué)生常常表現(xiàn)出濃厚的興趣，狀態(tài)表和狀態(tài)圖的概念也就能夠較好的掌握。

(a)游戲初始化(b)游戲通關(guān)

圖2 游戲運(yùn)行界面

2 電路基本功能的模擬

數(shù)字邏輯電路課程學(xué)習(xí)的一個(gè)重要內(nèi)容是掌握各種常用集成電路的工作原理和正確使用方法。而課本上的數(shù)字邏輯電路是模型化的，往往缺乏真實(shí)感，學(xué)生只有通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象才能將模型化的知識(shí)具體化。好的教學(xué)軟件能夠極好的填補(bǔ)這種“真實(shí)感”，課堂上教師只要通過展示軟件，學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就可以達(dá)到理解和識(shí)記電路目的。

電路基本功能的模擬是用最簡(jiǎn)單的電路連接來模擬軟件的基本功能，教學(xué)軟件只需要將擬模擬的電路基本原理清晰展示即可，但需要注意設(shè)計(jì)要聯(lián)系電路的實(shí)際運(yùn)行原理和使用場(chǎng)景。例如，常常作為教材的計(jì)數(shù)器案例7493，是數(shù)字邏輯電路中最典型的MSI異步計(jì)數(shù)器，模擬計(jì)數(shù)器7493運(yùn)行的教學(xué)軟件效果如圖3、4所示。在該教學(xué)軟件中，輸入輸出信號(hào)用文本輸入框的文本“0”“1”來表示；時(shí)鐘輸入用按鍵電路的圖片來模擬，為了使得鍵盤按下更逼真一些，在圖中鍵盤處準(zhǔn)備按下和抬起狀態(tài)的兩張圖片。當(dāng)鼠標(biāo)左鍵按下時(shí)將鍵盤抬起的圖片切換成鍵盤按下的圖片；當(dāng)鼠標(biāo)左鍵釋放時(shí)將圖片重新切換成鍵盤抬起來的圖片，此時(shí)輸出才允許發(fā)生變化(7493在下降沿觸發(fā))。學(xué)生最容易忽視的是其內(nèi)部是由一個(gè)分立的二進(jìn)制和八進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成的計(jì)數(shù)器。為了讓學(xué)生掌握7493構(gòu)成十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器的原理，軟件提供了3種連接方法，可

圖3 八進(jìn)制連接

圖4 十六進(jìn)制連接

以通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，通過彈出菜單來選擇。如圖3界面，選擇“按鍵連CPA”菜單時(shí)按鍵輸出信號(hào)連接在CPA上，7493只工作在二進(jìn)制計(jì)數(shù)器模式下，當(dāng)鍵盤按下時(shí)，只有QA發(fā)生變化；如果此時(shí)想使用八進(jìn)制計(jì)數(shù)器，則點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選擇菜單“按鍵連CPB”，如圖3所示，此時(shí)當(dāng)鍵盤按下QD、QC、QB將發(fā)生變化；當(dāng)點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇菜單“QA連CPB”，即構(gòu)成了十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如圖4所示，此時(shí)當(dāng)鍵盤按下,QD、QC、QB、QA都發(fā)生變化。

在課堂演示時(shí)可以通過提問方式并配合教學(xué)軟件引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)7493的用法。例如要學(xué)生思考為什么鍵盤按下的時(shí)刻計(jì)數(shù)器沒有發(fā)生變化，而是鍵盤抬起來的時(shí)刻發(fā)生了變化；為什么R01、R02輸入都為“1”時(shí)無論鍵盤怎么按下，計(jì)數(shù)器都不工作；當(dāng)按鍵信號(hào)連接在CPA時(shí)，為什么只有QA發(fā)生變化。同理按鍵信號(hào)連接在CPB時(shí)，為什么QA不發(fā)生變化；如果要構(gòu)成十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路又該如何連接等。

3 工程案例的模擬

靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的原理和方法，獲得分析問題和解決問題的能力是學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯電路課程的目的。在學(xué)習(xí)集成電路時(shí)如果不學(xué)習(xí)其應(yīng)用方法和背景，就像是孤立的、不在語境中記憶外文詞匯一樣，即使記住了單詞拼寫也不知道單詞該在哪些場(chǎng)合使用。學(xué)習(xí)集成電路就是要讓學(xué)生最終能夠?qū)W以致用，這就需要教師在課堂上能夠展開啟發(fā)，通過工程案例來幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)電路的應(yīng)用方法。

針對(duì)某個(gè)集成電路，不僅結(jié)合課程中案例來設(shè)計(jì)教學(xué)軟件，還融入一些典型的工程案例來設(shè)計(jì)。例如，教材中講述74151以及計(jì)數(shù)器的應(yīng)用時(shí)，引用的是“11100100序列產(chǎn)生器”的例子(見圖5)，74151教學(xué)軟件集成了74151的基本原理、“序列產(chǎn)生器”軟件中的LED燈接74151的輸出，用來顯示序列產(chǎn)生器的輸出[6]，如圖6所示。

圖5 11100100序列產(chǎn)生器

圖6 序列產(chǎn)生器輸出顯示

課本上“11100100序列產(chǎn)生器”的例子比較呆板，并不容易激發(fā)興趣，但把電路做一下改造，在74151的輸出端接蜂鳴器，這就是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易音樂播放器的工程案例[5]。如圖7所示，在教學(xué)軟件上選擇連接接蜂鳴器，并在數(shù)據(jù)輸入端接入各音階對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)，然后在數(shù)據(jù)選擇端A2A1A0選擇其中一路頻率輸出，則可通過驅(qū)動(dòng)PC的蜂鳴器，通過數(shù)據(jù)選擇端A2A1A0選擇D0～D7的輸出順序，則可以播放出歌曲來，這個(gè)播放順序存放在樂譜輸入框“A2A1A0”中。通過該電路的啟發(fā)，學(xué)生很快能夠掌握74151的原理，并能夠設(shè)計(jì)出非常動(dòng)聽的音樂播放器。

圖7 音樂播放器

4 結(jié) 語

將開發(fā)的軟件推薦給獨(dú)立學(xué)院、職業(yè)技術(shù)學(xué)院不同類型大學(xué)的相關(guān)教師使用，普遍反映教學(xué)效果良好，該教學(xué)軟件提升了學(xué)生對(duì)課程的理解和掌握程度，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，又提升了教師的教學(xué)手段。自行設(shè)計(jì)數(shù)字邏輯電路教學(xué)軟件，可以根據(jù)實(shí)際教學(xué)需要來設(shè)計(jì)和定制軟件，多年教學(xué)實(shí)踐證明對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量效果顯著。

[1] 王爾申, 龐 濤, 李 鵬, 等. Multisim和Proteus仿真在數(shù)字電路課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2013(30): 79-81.

[2] 劉 勝， 楊 夏. 基于Proteus的數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2012 (34): 85-88.

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Design of Digital Logic Circuit Educational Software

LIUZhao1,DENGChun-jian2

(1. Zhongshan Polytechnic, Zhongshan 528400, Gungdong, China; 2. Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528402, Gungdong, China)

Simulation software often exists the shortcomings such as the poor display effect, non-circuit teaching content being not simulated in digital logic circuit theory teaching. In order to make up these shortcomings, digital logic circuit teaching software is designed and developed. With examples in the paper, the teaching software for digital logic circuit design ideas and methods are summarized, including the design of non-circuit knowledge software, simulation method of basic working principle of the circuit and project case. Self developing teaching software can be designed for teaching needs with good flexibility, that has positive significance to help students to understand and master knowledge application, and to improve the effect of classroom teaching.

simulation software; theoretic teaching; software development

2016-03-03

全國(guó)教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃2013 年度課題(136240994)；廣東省教育科研“十二五” 規(guī)劃2012 年度研究項(xiàng)目(2012JK004)；廣東省高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(Yq2013204)

劉釗(1985-)，男，碩士，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。Tel.: 13425511775; E-mail: 386722335@qq.com

鄧春健(1980-)，男，碩士生導(dǎo)師,博士，教授，研究方向?yàn)樾畔@示技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。 E-mail: dcj5880870@126.com

TP 391.72

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1006-7167(2017)01-0140-04