基于Proteus的“數(shù)字電路”實驗課程智慧教學(xué)探索

摘要：以“數(shù)字電路”實驗教學(xué)方法探索為主題，文章結(jié)合生活場景對“數(shù)字電路”實驗內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化與重構(gòu)，深化學(xué)生對“數(shù)字電路”原理的理解與掌握，以提高學(xué)生的實踐能力。文章以智力競賽搶答器實驗項目為例，結(jié)合現(xiàn)代仿真軟件Proteus，通過層次進(jìn)階式的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題。所提方案有效提升了學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新思維及團(tuán)隊協(xié)作能力，突破了時間和實驗室空間的限制。

關(guān)鍵詞：Proteus；“數(shù)字電路”實驗；智慧教學(xué)

中圖分類號：G718中圖分類號" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

基金項目：校級教育教學(xué)課題；項目名稱：新工科背景下賦能《數(shù)字電路》新課堂混合式教學(xué)的探索；項目編號：23JYYB06。

作者簡介：候倍倍（1992— ），女，講師，碩士；研究方向：數(shù)據(jù)通信技術(shù)，深度學(xué)習(xí)。

0" 引言

“數(shù)字電路”是通信電子類專業(yè)的主要課程之一，其內(nèi)容比較抽象，邏輯性較強，且涉及大量的集成電路模塊，具有較強的專業(yè)性。因此，學(xué)習(xí)“數(shù)字電路”不僅要掌握一定的理論知識，還要能夠利用相關(guān)電路模塊進(jìn)行“數(shù)字電路”實驗，幫助學(xué)生理解數(shù)字電路各個模塊的工作原理，具備靈活運用“數(shù)字電路”模塊設(shè)計的能力［1］。在傳統(tǒng)的“數(shù)字電路”實驗中，學(xué)生須要使用相關(guān)的“數(shù)字電路”硬件模塊進(jìn)行搭線連接并輸入相關(guān)參數(shù)，觀察數(shù)據(jù)的輸入輸出及處理結(jié)果等。然而使用實際的硬件模塊進(jìn)行數(shù)字電路實驗，教師須要時常檢驗硬件電路模塊的損耗情況，學(xué)生在做實驗時既要進(jìn)行大量的煩瑣連線并反復(fù)調(diào)試，又要考慮電路電氣等不利因素的干擾，實驗的產(chǎn)生結(jié)果會出現(xiàn)一定的不確定性［2］，從而打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，讓學(xué)生對數(shù)字電路相關(guān)模塊的工作原理掌握產(chǎn)生影響。鑒于此，針對“數(shù)字電路”實驗課程所需硬件模塊復(fù)雜、空間環(huán)境有限及維護(hù)成本高等特點，課題組成員將Proteus虛擬仿真軟件引入實驗教學(xué)［3］。

1" Proteus仿真軟件介紹

Proteus是一款功能強大的電子設(shè)計自動化軟件套件，被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計過程。該軟件具有豐富的元件庫，包含電阻、電容、晶體管、集成電路等多種電子元件，而且這些元件都有詳細(xì)的模型，通過模擬其真實行為，使得用戶能夠進(jìn)行精確的仿真。另外，其還具有強大的仿真引擎，能夠模擬電路的性能，用戶可以查看電壓、電流、信號波形等參數(shù)，以便進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化其用戶界面。Proteus原理圖仿真界面如圖1所示。

Proteus虛擬軟件強大的功能較好地解決實驗教學(xué)的空間和硬件設(shè)備限制，學(xué)生只須要利用一臺計算機(jī)安裝Proteus虛擬仿真軟件，就可以不受空間限制地完成“數(shù)字電路”實驗。通過這種虛擬仿真的實驗教學(xué)方式，極大地提高了學(xué)生的實驗正確效率和學(xué)習(xí)熱情，同時也提升了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

2" “數(shù)字電路”實驗教學(xué)改革思路

數(shù)字電路被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和系統(tǒng)中，如手機(jī)、智能家居設(shè)備等，是電子信息類、計算機(jī)類等專業(yè)的學(xué)生走進(jìn)硬件領(lǐng)域的入門課程。而“數(shù)字電路”實驗教學(xué)是培養(yǎng)硬件領(lǐng)域應(yīng)用型技術(shù)人才的一個重要環(huán)節(jié)，可以很好地鍛煉學(xué)生的實踐和創(chuàng)新思維能力。因此，“數(shù)字電路”實驗教學(xué)應(yīng)該在服務(wù)于理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，堅持以學(xué)生為中心，以能力導(dǎo)向為基礎(chǔ)，從實驗項目內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法等方面進(jìn)行改革研究［4-6］，提高實驗內(nèi)容的多樣性、自主性和趣味性。把“教師做，學(xué)生模仿”這種機(jī)械式的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖處熞龑?dǎo)，學(xué)生創(chuàng)作實現(xiàn)”的模式，不斷培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字系統(tǒng)實踐能力和創(chuàng)新思維能力。

2.1" 實驗項目內(nèi)容優(yōu)化和重構(gòu)，增強實驗的實用性

“數(shù)字電路”實驗內(nèi)容應(yīng)結(jié)合日常生活場景，體現(xiàn)出知識點的關(guān)聯(lián)性、技能目標(biāo)的遞進(jìn)性以及應(yīng)用場景的多樣性。本文綜合考慮學(xué)生的差異性，布置實驗任務(wù)有易有難，將實驗內(nèi)容分成基礎(chǔ)部分和擴(kuò)展部分，根據(jù)學(xué)生的具體情況做到因材施教。比如，在完成“觸發(fā)器構(gòu)實現(xiàn)位移寄存器”的基礎(chǔ)上，對于展現(xiàn)出較強能力的學(xué)生，可挑戰(zhàn)“流水燈電路設(shè)計”的進(jìn)階任務(wù)，以此作為實踐能力深化的契機(jī)，確保學(xué)生能夠平穩(wěn)過渡到更高層次的學(xué)習(xí)，避免初期遇到的障礙引發(fā)挫敗感或恐懼心理。另外，教師通過設(shè)定適當(dāng)難度的項目，緊扣教學(xué)目標(biāo)，能夠有效激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在動力，培養(yǎng)他們面對挑戰(zhàn)時的積極態(tài)度與克服困難的毅力。教師通過由淺入深、多樣化的實驗體系，幫助學(xué)生營造積極的心理氛圍，提高學(xué)生學(xué)以致用的能力和創(chuàng)新思維水平。部分實驗內(nèi)容優(yōu)化如表1所示。

2.2" 以賽促學(xué)法——促進(jìn)學(xué)生“學(xué)以致用，知行合一”的教育理念

實驗教學(xué)的核心目標(biāo)在于有效應(yīng)用所學(xué)的課程知識與技術(shù)。課題組成員致力于將各類電子設(shè)計競賽、智能汽車大賽以及大學(xué)生實踐創(chuàng)新項目等競賽或?qū)嵺`項目融入實驗教學(xué)，旨在通過項目驅(qū)動的教學(xué)方式，將傳統(tǒng)的課堂實驗教學(xué)與課外的實踐探索緊密結(jié)合。以賽促學(xué)體系如圖2所示。這一模式不僅為專題化和案例化教學(xué)提供了穩(wěn)固的基石，還能夠顯著提升學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。通過引入相關(guān)的案例講解，課題組成員鼓勵學(xué)生參與全國電子設(shè)計大賽等實踐活動，提升他們的參與度，在實際操作中深化對知識點的理解。

3" 基于Proteus的4路智力競賽搶答器實驗教學(xué)案例設(shè)計

3.1" 線上學(xué)習(xí)通平臺進(jìn)行前測，調(diào)整實驗功能的多樣性和深度

利用學(xué)習(xí)通平臺，教師課前錄制或選擇相關(guān)的實驗視頻，包括實驗原理、操作步驟、注意事項等，供學(xué)生在課前觀看。幫助學(xué)生深入理解實驗背景和理論知識，讓學(xué)生了解并明確實驗中“要做什么”“如何做”“為什么這么做”，教師提前在學(xué)習(xí)通發(fā)布實驗內(nèi)容基礎(chǔ)測試，了解學(xué)生的理論知識掌握程度。

例如：如果讓你設(shè)計一款搶答器，你希望它具備哪些功能，這些功能需要哪些數(shù)電模塊實現(xiàn)？優(yōu)先編碼器74LS148功能和作用？

教師把實驗分為基礎(chǔ)性實驗和擴(kuò)展性實驗：基礎(chǔ)性實驗為學(xué)生的必做實驗，比如搶答器模塊實現(xiàn)基本的搶答功能；擴(kuò)展性實驗供學(xué)習(xí)能力強的學(xué)生選做，在實現(xiàn)搶答功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)倒計時功能等。教師通過設(shè)置2個實驗，解決學(xué)生學(xué)習(xí)程度的差異化問題。

3.2" 智力競賽搶答器案例導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

案例導(dǎo)入環(huán)節(jié)主要是為了吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。教師先給學(xué)生展示智力競賽搶答器的設(shè)計效果：該智力搶答器可以為4位選手或團(tuán)隊提供搶答功能，能夠?qū)崿F(xiàn)搶答、計數(shù)以及鎖存這3個大方向的功能；假設(shè)有4名選手，編號為1號、2號、3號、4號，分別對應(yīng)一個搶答按鈕；另外，主持人會控制一個控制按鈕，用來表示搶答的開始和系統(tǒng)重置；當(dāng)主持人按下開始按鍵后，4位選手進(jìn)行搶答；假設(shè)3號選手最先搶答，則3號選手編號將進(jìn)行鎖存，并在對應(yīng)搶答模塊的數(shù)碼管上顯示數(shù)字3，同時倒計時停止。4路智力競賽搶答器案例演示效果如圖3所示。

3.3" 智力競賽搶答器模塊化分析，讓學(xué)生明確需要掌握的知識和技能

學(xué)習(xí)熱情只是一種短暫的情緒狀態(tài)，應(yīng)依靠明確的課堂目標(biāo)來持續(xù)激發(fā)學(xué)生的探索欲。教學(xué)目標(biāo)不僅扮演著維系學(xué)生求知動力的角色，還具備指導(dǎo)教學(xué)流程與評估學(xué)習(xí)成效的雙重導(dǎo)向功能。如4路搶答器設(shè)計目標(biāo)如下：鞏固已學(xué)過的譯碼器和數(shù)碼管的功能和工作原理；通過分組完成4路搶答器的設(shè)計，對實際問題進(jìn)行邏輯分析與設(shè)計，熟練進(jìn)行邏輯狀態(tài)分配和化簡；通過分組參與討論，理解數(shù)字電路各部分模塊和總體系統(tǒng)的聯(lián)系，掌握數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計方法。智力競賽搶答器的整體框架如圖4所示。

3.3.1" 輸入模塊以及74LS148與74LS279模塊設(shè)計

由實驗要求可知，競賽搶答器采取點觸發(fā)式按鈕，可以采用74LS148優(yōu)先編碼器進(jìn)行編碼作為輸入信號，用來顯示選手1—4的編號；再利用RS鎖存器模塊保存選手觸發(fā)按鈕的信號。74LS148的編碼輸入將作為74LS279的輸出。該模塊設(shè)計電路如圖5所示。

3.3.2" 搶答倒計時模塊設(shè)計

74LS190是一個4位同步可逆計數(shù)器芯片，通過將輸入端置為0110，隨著一個CP信號的到來，實現(xiàn)9—0的減法功能。功能端E端實現(xiàn)暫停計數(shù)功能，即選手按下?lián)尨鸢粹o，則停止計數(shù)。PL端可以實現(xiàn)裁判端的復(fù)位功能，即實現(xiàn)預(yù)置數(shù)功能。其倒計數(shù)模塊如圖6所示。

3.3.3" 選手互鎖功能和計數(shù)器暫停設(shè)計

學(xué)生分析74LS48、74LS148和74LS190的功能和真值表可知：當(dāng)74LS148的EI端為1時，電路將停止工作，則所有輸出封鎖在高電平；當(dāng)74LS190的E端為1時，74LS190停止工作，即達(dá)到暫停效果。因此，學(xué)生可用一個邏輯與門接入74LS279的4S端作為一個低電平信號，將其通過鎖存器產(chǎn)生的高電平信號接入74LS148的EI端和74LS190的E端，從而實現(xiàn)互鎖和暫停功能。其對應(yīng)的鎖存器電路設(shè)計如圖7所示。

3.4" 參與式學(xué)習(xí)+翻轉(zhuǎn)課堂，激發(fā)學(xué)生自主探究和思考能力

參與式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)主體是學(xué)生，教師起引導(dǎo)和輔助作用。學(xué)生通過小組討論、互動實驗、角色扮演等教學(xué)活動積極參與學(xué)習(xí)過程，教師提供及時的反饋和指導(dǎo)。當(dāng)進(jìn)行搶答器實驗時，將每3位學(xué)生組成一個團(tuán)隊，每個團(tuán)隊針對搶答器實現(xiàn)的功能模塊進(jìn)行討論和交流，教師進(jìn)行適時的引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生自己動手，親身體驗實驗過程，加深對理論知識的理解。教師隨機(jī)選擇一名學(xué)生答辯，其他同學(xué)和教師給予反饋和建議。當(dāng)實驗課程結(jié)束時，學(xué)生不僅要提交實驗報告，還要以組為單位進(jìn)行答辯，學(xué)生匯報對相關(guān)知識的理解、實驗的實現(xiàn)過程、實驗的心得體會，并演示最終的設(shè)計效果。教師針對學(xué)生的匯報，提出建議。通過展示和反饋，學(xué)生可以及時發(fā)現(xiàn)自己的不足并學(xué)習(xí)他人的優(yōu)點。電路設(shè)計和問題解決過程都是加深學(xué)生對理論知識的內(nèi)化，可以較好地提升學(xué)生的思考能力和解決實際問題的能力。

3.5" 實驗后測，學(xué)生溫故而知新

實驗后測可用于評估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，通過比較前測和后測的結(jié)果。教師可以了解哪些教學(xué)目標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)，哪些還需要進(jìn)一步鞏固和提高。在課后，教師通過學(xué)習(xí)通平臺布置作業(yè)，讓學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)知識，并圍繞搶答器功能和應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科研文獻(xiàn)研究來優(yōu)化設(shè)計和調(diào)試過程。利用學(xué)習(xí)通平臺進(jìn)行線上交流與答疑，促使學(xué)生溫故而知新。

4" 結(jié)語

本文通過Proteus仿真軟件，不斷探索和改進(jìn)數(shù)字電路實驗教學(xué)模式。以智能競賽搶答器為例，本文證明了該教學(xué)模式有效增強了學(xué)生的實踐操作能力并激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。實驗項目貼近生活情景，實驗內(nèi)容具有多樣性，并且難度由淺入深，較好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。在實驗教學(xué)中，教師采用參與式學(xué)習(xí)和翻轉(zhuǎn)課堂模式，通過師生互動和生生互動，較好地鍛煉了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊合作能力；在實驗軟件的使用上，學(xué)生借助Proteus使用電腦隨時隨地學(xué)習(xí)，突破了時間和實驗室硬件環(huán)境的限制。今后，課題組將繼續(xù)探索實驗教學(xué)方法和新技術(shù)，不斷改善教學(xué)方法，提高高等教育的教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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（編輯" 沈" 強）

Exploration of smart teaching in “Digital Circuit” experiment course based on Proteus

HOU" Beibei

（Jiangxi University of Technology， Nanchang 330098， China）

Abstract： Focusing on exploring teaching methods for “Digital Circuit” experiments， the research team optimize and reconstruct the content of “Digital Circuit” experiments by integrating the real-life scenarios， which deepens students’ understanding and mastery of “Digital Circuit” principles， and enhances their practical abilities. Taking the intelligence competition buzzer experimental project as an example， this paper guides students to discover， analyze， and solve problems in the experiment through a progressive teaching model combined with modern simulation software Proteus. The proposed scheme effectively improve the students’ hands-on ability， innovative thinking， and teamwork ability， breaking free from the constraints of time and laboratory space.

Key words： Proteus; “Digital Circuit” experiment; smart teaching