李 文， 黃 文， 趙全友， 尹向東

(湖南科技學院 計算機與通信工程系， 湖南 永州 425199)

0 引 言

數字電路與邏輯設計是信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課[1-2]，其特點是既有較抽象的邏輯代數基礎，又有較具體的工程實踐應用。它不但要求學生掌握實用電子電路的基本原理和設計方法，更重要的是培養(yǎng)學生對電子電路的分析、設計及實際應用的工程能力。

在數字邏輯教學中引入Multisim虛擬仿真平臺，具有靈活、便捷、易于實現等優(yōu)點[3-5]，只要擁有一臺電腦，便可激發(fā)學生學習知識的興趣，同時又培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力和實踐應用能力。

而目前數字邏輯教學過程中存在著一些問題，Multisim軟件仿真的容錯性設計，使得教學過程中學生的工程素養(yǎng)的培養(yǎng)方面不能得到較好的訓練。這就要求我們在教學過程中注重工程實踐能力的培養(yǎng)和訓練，注重工程實踐細節(jié)分析與設計，提高數字邏輯電路教學效果，滿足新形勢下CDIO工程教育要求[6-10]。文章研究了基于Multisim的電路仿真教學，提出“知識講解項目化、項目實施工程化、工程實戰(zhàn)一體化”的教學模式，重點闡述在教學活動中貫徹這一教學模式的實踐，從而促進學生更好地理解和掌握理論知識。除此之外，通過仿真與實物制作的比較分析，促進學生更好地了解工程設計實際所面臨的問題，有效地進行工程素養(yǎng)培養(yǎng)。

1 課程分析及其教學中存在的問題

數字邏輯課程是信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎課，擔負著鞏固并升華前續(xù)課程理論知識，培養(yǎng)學生對數字系統(tǒng)的分析設計能力、工程實踐能力和創(chuàng)新應用能力的重任，為后續(xù)相關課程打下牢固的硬件基礎，在計科專業(yè)教學中具有承上啟下的重要地位。特別在CDIO工程教育背景下，該課程對學生動手能力的培養(yǎng)與工程素養(yǎng)的培養(yǎng)就更加重要。

數字邏輯課程的特點是：① 是一門既抽象又具體的課程。抽象性表現在邏輯代數的相關定理、定律及邏輯問題的提取和描述上，具體性表現在邏輯問題的工程應用實現上。② 理論知識和工程實踐應用結合緊密。該課程各部分知識與實際應用直接相關，實踐中要求學生對理論知識進行綜合運用，能夠學會設計一些典型的數字電路，真正培養(yǎng)解決實際問題的能力。③ 邏輯設計思路方法靈活多變。實際設計的許多問題的方法多變，主要取決于設計者的邏輯思維推理能力、知識廣度和深度、以及工程實際應用能力。

目前教學中的主要問題是工程素養(yǎng)培養(yǎng)缺失，表現在：① 在教學方式上，很多教師整堂課以教師為中心。教師與學生、學生與學生之間缺少互動，學生分析問題、解決問題的工程應用能力無從談起，更不要說創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。② 在教學內容上，選取具體教學項目及實現方案的擴展性及涉及相關課程知識不夠，使學生無法與實際工程項目無縫對接，不能很好地培養(yǎng)解決實際問題的能力。③ 在教學手段上，部分老師不能較好地利用多媒體、EDA虛擬仿真平臺等進行現代化教學，導致學生與現代較為先進的設計理念接觸甚少，與工程實際脫離。④ 在實踐環(huán)節(jié)上，一些教師只授人以魚而不授人以漁，忽視實踐中各環(huán)節(jié)及其工程細節(jié)，致使學生在面對具體工程問題時不知所以。⑤ 教師隊伍中，現在的高校，尤其是新建地方本科院校，從事工學專業(yè)課程教學的教師中青年教師是主力，他們從業(yè)經歷大多從學校到學校，工程實踐相當貧乏，自身的工程素養(yǎng)不夠，以致教學與實踐脫節(jié)。⑥ 學生訓練方面，沒有或很少經歷過真正的工程訓練，對工程缺乏起碼的感性和理性認識，在學習數字邏輯及相關課程時效果較差。

2 課程知識與工程素養(yǎng)結合

對于計科專業(yè)來講，根據我校培養(yǎng)應用型高級工程技術人才的目標，并結合培養(yǎng)方案中設置的專業(yè)課程有針對性地進行訓練。為學生創(chuàng)造一種提高其動手能力和解決工程實際問題能力的學習環(huán)境，加強學生工程素養(yǎng)培養(yǎng)，提高分析問題及解決問題的能力[11-12]。

為達到教學目標，應根據專業(yè)領域和社會實際需求，在課程教學中融入工程設計理念及工程設計實施過程，讓課程知識教學與工程素養(yǎng)的培養(yǎng)有機地結合。教學過程中應注意：① 可行性。在教學上，遵循科學合理的基礎，讓學生盡可能融入到工程實戰(zhàn)中，從實際出發(fā)提出問題和解決問題。② 實用性。針對課程特點，所選內容緊跟學科的發(fā)展步伐。③ 連貫性。課程與課程之間要有聯(lián)系渠道，工程訓練要落實到每門課程之中，以課程設計為契機把課程知識與專業(yè)素養(yǎng)結合，并在平時學習當中逐步提高和完善，轉變成一種素質。

3 工程訓練在Multisim仿真中實施

Multisim最新版是美國NI公司推出的以Windows為平臺的虛擬仿真平臺。它可以對模擬、數字和模擬/數字混合電路進行設計和仿真。它的特點是界面直觀、元器件庫豐富、虛擬儀器儀表齊全、元件放置及連線簡便、電路分析功能及作圖功能強大、電路圖的創(chuàng)建、測試分析和仿真結果一體化。因此，特別適合于數字邏輯課程教學及工程訓練。

下面以籃球24S顯示報警電路為例闡述采用Multisim進行虛擬實驗的過程及教學中工程細節(jié)的分析以培養(yǎng)學生工程素養(yǎng)。

3.1 知識講解項目化

數字邏輯課程的主要知識點包括：數制、字符編碼、門電路、觸發(fā)器、組合邏輯電路、時序邏輯電路、555定時器、A/D和D/A轉換器、計數器、寄存器等。在傳統(tǒng)的教學中，課程講述都是按照上述知識點逐一講解，這樣的授課體系由于學習初期目標不明確，學生在學習前期容易喪失興趣與信心。

項目驅動的教學方式是以做項目為中心來組織課程教學[13-15]。我們結合數字邏輯課程實踐性強的特點，將知識點圍繞項目展開，根據項目的工程實施過程來安排講課內容。因此，選擇具有系統(tǒng)性及代表性的工程項目，以突出項目訓練的完整性，使學生在做項目的過程中學習必要的知識?！盎@球24S顯示報警電路設計”項目是一個典型的例子。此項目實施過程涉及數字邏輯課程的絕大部分知識點，形成了“做-學-悟”三維一體立體式多層次、多目標教學。具體項目設置如表1所示。

表1 籃球24S顯示報警電路設計

3.2 項目實施工程化

具體分為以下4個階段：① 構思階段。每個項目實施時，教師先規(guī)定項目要求，分析一些涉及本項目的關鍵知識點。② 設計階段。學生課外查找資料，進行軟件仿真，并在開放實驗室制作與任務相關的硬件電路，期間教師定期解答學生設計過程中的問題，對個別有困難的學生進行重點指導。③ 實施階段。學生課內自行調試、測試硬件，互相交流，完善系統(tǒng)的設計。根據實驗現象、結果撰寫綜合設計性實驗報告。④ 運行階段。由各小組選代表進行答辯，演示自己的作品，交流自己的心得體會。教師總結項目設計過程中的普遍性問題，講授經驗教訓，教師對學生的項目完成情況進行考核評定。

3.3 仿真實戰(zhàn)一體化

采用Multisim虛擬平臺設計電路，不但降低了實驗成本以彌補硬件教學資源的不足，而且有利于啟發(fā)和拓展學生的設計思維。它對更新教學方法，提高教學質量，改善教學效果有著革命性的作用。

Multisim仿真軟件容錯功能強大，也帶來了仿真設計上一些工程設計細節(jié)問題的教學嚴重缺失。因為學生所缺少的實際工程能力是無法用仿真來獲得的，因此它并不能完全取代傳統(tǒng)的教學方法。從培養(yǎng)學生運用課程知識、提高實際工程素養(yǎng)和訓練工程應用能力出發(fā)，應該把Multisim仿真教學和工程實戰(zhàn)有機地統(tǒng)一起來，取長補短，充分發(fā)揮各種實驗方式的優(yōu)勢。

以籃球24S顯示報警電路設計為例，電路仿真圖如圖1所示。詳細分析教學中應該注意的工程細節(jié)：① 555多諧振蕩模塊，電阻、電容的選取應該根據工程實際進行合理參數選取。既要考慮輸出波形的頻率、占空比等，又要考慮電阻電容的標稱值；② 觸發(fā)器分頻模塊，為了得到適合的脈沖信號，可以配合選取分頻電路對555輸出的脈沖信號進行調整；③ 計數模塊，中規(guī)模集成計數器的種類繁多，應綜合考慮功能、價格、復雜度等因素進行設計選型；④ 譯碼模塊，顯示譯碼模塊要根據具體的七段顯示器的種類進行選取，分為共陰極和共陽極兩類；⑤ 顯示模塊，根據實際應用場合選取一定型號的七段數碼顯示管，主要是共陰和共陽選擇、功率選擇以及合理的限流電阻選取。共陰和共陽配合譯碼器選型，功率大小決定是否加功率驅動電路，限流電阻保護數碼管在額定功率下工作；⑥ 聲光報警模塊，考慮蜂鳴器的功率驅動，及發(fā)光二極管限流電阻選??；⑦ 開關模塊，提供高低電平的開關的類型、大小等適合安裝問題；⑧ 門電路類型的統(tǒng)一問題，使用門電路的時候盡量使用或向同一種類電路轉換，以節(jié)省成本、空間及提高可靠性；⑨ 電源模塊，整個電路供電問題及電源和地的匯聚問題。

4 結 語

從根本上使工程教育回歸工程，提升高等教育質量，使高等教育培養(yǎng)大批具有國際競爭力的工程應用型人才。我們需從課程實踐出發(fā)，切實落實學生素養(yǎng)的培養(yǎng)機制。

我們必須從宏觀上更新教育理念，改革教育體系，切實實現課本知識和工程實踐相統(tǒng)一。從微觀上必須從專業(yè)課程的特點、教與學雙方的實際出發(fā)，強化師資隊伍的工程實踐能力，改進教學方法切實加強學生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)。

圖1 籃球24S違例顯示報警電路仿真圖

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