張婧婧　李勇偉

摘要：結(jié)合傳統(tǒng)實踐教學存在的問題，引出目前數(shù)字電路課程改革中面臨的困境，設(shè)計并列舉為改善課程教學效果和提高教學質(zhì)量而擬定的一系列改進措施。從項目題庫的建設(shè)、實驗?zāi)繕说亩ㄖ啤嵺`方式的規(guī)范等方面直觀地剖析教改方案對學生實踐能力培養(yǎng)產(chǎn)生的積極影響。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；實踐教學；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、時序電路、存儲電路、時基電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路為主線有序展開，其相應(yīng)的課程實驗也由易到難，分模塊進行。在傳統(tǒng)的數(shù)字電路實踐課程中，主要實驗項目包括集成邏輯電路的連接和驅(qū)動、組合邏輯電路的設(shè)計與測試、計數(shù)器及其應(yīng)用、555時基電路及其應(yīng)用、D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用等。依據(jù)上述5個基礎(chǔ)項目，計算機與信息工程學院分別針對CMOS集成電路的驅(qū)動、TTL集成電路的驅(qū)動、數(shù)碼管的顯示、二三人表決器、兩位數(shù)值比較器、八進制計數(shù)器、十進制加減計數(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)換電路開展實驗，形式均屬于驗證型，因此實踐課程難度不大，收獲也不顯著。

為了改善學生課程實踐的效果，提高其實踐動手能力，計算機與信息丁程學院調(diào)整了數(shù)字電路實踐課程模式，加入課程設(shè)計的環(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個課程設(shè)計選題。題目公布后，學生選題大致情況如圖1所示。

由圖1不難看出，學生對邏輯性強、上手較快的設(shè)計題目興趣較高，而綜合型設(shè)計題目幾乎無人問津。據(jù)進一步統(tǒng)計，學生選題后的完成情況同樣不容樂觀，130名選課學生及作品中，94名學生能夠完成仿真電路設(shè)計；48個作品進行了實驗儀上的系統(tǒng)調(diào)試，其中僅有14個作品完成實物制作且實現(xiàn)了基本功能。在12項課程設(shè)計選題中，完成質(zhì)量較高的項目分別為病床呼叫器、16位廣告燈、智能搶答器、24秒倒計時器；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目是簡易的出租車計費器、數(shù)字頻率計和數(shù)字電壓表。

隨著課程改革的深入和課程設(shè)計的嘗試，在突破了傳統(tǒng)教學的單一模式之后，計算機與信息工程學院數(shù)字電路的課程實踐仍遭遇了知難而退的尷尬局面。針對現(xiàn)狀，筆者進一步探討數(shù)字電路實驗課改后幾個能夠明確改進的方向。

1 加強實驗項目的題庫建設(shè)

就實驗項目而言，數(shù)字電路的實踐課程嘗試了9個基礎(chǔ)實驗和12項課程設(shè)計，但與實驗項目多層次的特點相比，項目題庫還是略顯單薄。例如，在基礎(chǔ)實驗中，學生已經(jīng)掌握了常用功能芯片（如數(shù)值比較器74LS85、計數(shù)器74LS192、NE555）的應(yīng)用，甚至包括數(shù)碼管的譯碼原理，但是當選中課程設(shè)計的題目（如模擬出租車計價器）時，學生仍然會力不從心，這就意味著從基本實驗項目邁向課程設(shè)計，中間缺少橋梁。

數(shù)字電路的實驗雖然分模塊進行，但彼此關(guān)聯(lián)，容易形成不同層次的項目。此外，數(shù)字電路情境項目的素材豐富，與實際問題聯(lián)系緊密，如針對多諧振蕩器、計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換實驗，設(shè)計一個三角波發(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)，強化學生的實驗技能，而在此基礎(chǔ)上完成波形發(fā)生器的課程設(shè)計，就使得課程設(shè)計變得直觀、有趣和理所當然；又如在完成基本邏輯電路、555時基電路和計數(shù)器及數(shù)碼管的顯示等實驗后，布置一個技巧性強的課程設(shè)計——數(shù)字頻率計對學生來說跨度較大，那么在此前先引入一個1s脈沖計數(shù)器的設(shè)計，就能夠引導學生理順頻率測量的思路了。因此，在實踐環(huán)節(jié)中不斷加入多層次的橋梁實驗并按實驗進度發(fā)布題目，將有助于學生很好地建立課程設(shè)計與基礎(chǔ)實驗之間的關(guān)聯(lián)。

2 細化實驗的目標和要求

數(shù)字電路課程的實踐和其他課程一樣由易到難，需要分層次進行。實驗指導過程中除了需要區(qū)別實驗的難易程度，還需要細化實驗的目標和要求。

作為基礎(chǔ)課程，數(shù)字電路的課程設(shè)計通常安排在試驗儀上搭建硬件和驗證功能，有意識地降低了設(shè)計的難度。目前可供學生使用的實驗資源包括各類芯片、數(shù)字電路試驗儀、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，雖然提高了設(shè)計的成功率，但是犧牲了培養(yǎng)學生動手能力的機會。

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

3 加強仿真軟件的應(yīng)用

數(shù)字電路理想的設(shè)計通常是簡潔的硬件和完整的功能。硬件的簡單設(shè)計不僅能夠簡化制作的難度，更是系統(tǒng)穩(wěn)定性和設(shè)計成本的要求，所以當學生用15塊功能芯片設(shè)計一個10位數(shù)字密碼鎖時，應(yīng)該提醒他嘗試采用仿真軟件重新部署原理圖，簡化實驗電路。

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，這類軟件使用時易上手，仿真元件庫中資源豐富。無論是基礎(chǔ)實驗、橋梁實驗還是課程設(shè)計項目，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，驗證設(shè)計原理。很多擁有電子設(shè)計經(jīng)歷的學生喜歡跳過仿真步驟，憑借經(jīng)驗直接焊接電路，其成功率往往較低又容易挫敗設(shè)計的積極性。事實上，無論是從測試模塊能否正常工作、驗證系統(tǒng)是否正常運行方面，還是從電路能否繼續(xù)簡化或系統(tǒng)功能是否可以擴展方面考慮，仿真實驗都比硬件平臺實驗更高效、更經(jīng)濟。

4

設(shè)計項目任務(wù)書

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

數(shù)字電路的課程設(shè)計任務(wù)書必須根據(jù)學生的知識水平和課程的理論進度編寫。任務(wù)書中首先需要提出完整的設(shè)計功能，以便學生進行項目的需求分析；其次添加與設(shè)計相關(guān)的知識點，既能提示學生設(shè)計的思路，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)計制作要求，避免模棱兩可的設(shè)計結(jié)果。以簡易病床呼叫器為例，筆者列出參考設(shè)計任務(wù)書，見表1。

通過后續(xù)課程設(shè)計的開展，設(shè)計任務(wù)書的形式和內(nèi)容還將不斷更新，以適應(yīng)學生的設(shè)計層次和知識水平。此外，發(fā)布任務(wù)書的過程也肩負著平衡課程設(shè)計難度的技術(shù)性要求，通過加、減系統(tǒng)功能，統(tǒng)一設(shè)計難度，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)計的成功率，有序提升設(shè)計的難度，在基礎(chǔ)實驗階段，需要引導學生準備好一些常用的模塊，儲備自己的電路設(shè)計資源庫，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、加減計數(shù)器電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路等。不僅如此，設(shè)計中還要注意不同芯片的選取和功能的區(qū)別，如在設(shè)計三角波發(fā)生器時，可參考的計數(shù)芯片不必是普通的74LS161芯片，而應(yīng)該是具有加減計數(shù)功能的74LS191芯片，這樣能夠在不偏離考察目標的前提下大大簡化硬件的設(shè)計。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倒計時器等多種時序電路中，此模塊只需設(shè)計一次就能滿足通用的要求。

6 結(jié)語

目前，計算機與信息工程學院進行的數(shù)字電路課程設(shè)計只進行了一輪，能夠推進和優(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學生實踐能力的增長，實現(xiàn)課程改革的最終目標。

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（見習編輯：劉麗麗；編輯：宋文婷）endprint