袁占生， 鄭文杰， 秦德興

(集美大學(xué) 信息工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

袁占生， 鄭文杰， 秦德興

(集美大學(xué) 信息工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

本文介紹了“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革方法—通過在課堂教學(xué)中引入虛擬電子平臺(tái)NI Multisim12.0。以此實(shí)現(xiàn)直觀的實(shí)踐仿真，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論理解，既提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，又激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的興趣，也提高了教師的教學(xué)水平。

教學(xué)改革；虛擬電子實(shí)驗(yàn)室；3D視圖；仿真

0 引言

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程是我校電類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，也是我院一門重要的院級(jí)平臺(tái)課。隨著電子信息技術(shù)飛速發(fā)展，只注重課本、注重理論知識(shí)的傳統(tǒng)教學(xué)模式已不適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)了。工科電子類專業(yè)特點(diǎn)是實(shí)踐性，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，注重培養(yǎng)實(shí)踐能力。所以，必須對(duì)教學(xué)方法、教學(xué)方式進(jìn)行改革。以下是多年來我們?cè)谠撜n程教學(xué)實(shí)踐中獲得的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)體會(huì)。

1 傳統(tǒng)式課程教學(xué)法弊端

首先是教材，就我校而言，該課程教材的內(nèi)容系統(tǒng)性強(qiáng)，理論偏高偏深，但理論聯(lián)系實(shí)際不夠，實(shí)踐性較弱。其次是教學(xué)方法，多為理論灌輸式，很少在課堂教學(xué)中涉及實(shí)踐環(huán)節(jié)。針對(duì)這些弊端，必須強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)實(shí)踐能力，讓學(xué)生自己動(dòng)手，以自己的思維、想法來設(shè)計(jì)和實(shí)踐。這促使我們?cè)诮滩暮徒谭ㄉ媳仨氝M(jìn)行一定的改革。

2 改進(jìn)措施

首先，教材的使用和選擇，既要適應(yīng)數(shù)字技術(shù)的高速發(fā)展，又要保留數(shù)字邏輯的經(jīng)典內(nèi)容。經(jīng)過學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)專家、教師們多次研究和論證，現(xiàn)已選出合適的教材作為學(xué)院平臺(tái)課統(tǒng)一教材。其次，在實(shí)踐方面，根據(jù)學(xué)校教務(wù)處和學(xué)院的要求，在實(shí)驗(yàn)課程中加大設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)所占的比例，使學(xué)生在完成設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)的過程中大大加強(qiáng)了實(shí)踐動(dòng)手能力。最后，教學(xué)方法的改革尤為重要。隨著教育教學(xué)技術(shù)手段發(fā)展，教師都在積極探索教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革。比如計(jì)算機(jī)輔助、制作CAI課件等，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)方式和方法的現(xiàn)代化。我們?cè)谠撜n程實(shí)際授課時(shí)，引入電子電路仿真軟件NI Multisim12.0和Ultiboard12.0軟件作為虛擬平臺(tái)，來加強(qiáng)對(duì)每一個(gè)實(shí)際電路的仿真分析。

3 改進(jìn)實(shí)例

3.1 軟件及其應(yīng)用

電子電路仿真軟件NI Multisim12.0是業(yè)界公認(rèn)的一流的SPICE仿真標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，它是NI電路教學(xué)解決方案的重要基礎(chǔ)。數(shù)字邏輯電路中很多模塊， 都可以通過引入NI Multisim12.0為基礎(chǔ)的電子電路虛擬平臺(tái)，開展課堂實(shí)驗(yàn)，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的效果。

3.2 應(yīng)用電路仿真分析

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中，數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)和數(shù)?；旌想娐返姆治雠c設(shè)計(jì)是最難學(xué)的。任何數(shù)字電路和模塊工作時(shí)必須要有相應(yīng)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)(CLK信號(hào))，仿真軟件可以用虛擬的時(shí)鐘脈沖源來提供，而在實(shí)際設(shè)計(jì)的硬件電路中，該信號(hào)必須由實(shí)物產(chǎn)生。下面以脈沖振蕩電路設(shè)計(jì)為例，來說明實(shí)物設(shè)計(jì)和引入NI Multisim12.0仿真設(shè)計(jì)后對(duì)于數(shù)字邏輯電路教學(xué)的重要性和實(shí)用性。

1)電路原理圖

圖1就是由數(shù)字邏輯模塊555定時(shí)器加外圍電路構(gòu)成的脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路。

圖1 脈沖信號(hào)發(fā)生器原理電路

應(yīng)用學(xué)過的理論計(jì)算公式，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)其周期為

T=(R1+2R2+RP+RP′)C1

(1)

給定參數(shù)計(jì)算，振蕩周期為100 ms。

圖2是示波器XSC1的振蕩波形。從波形圖可以看出，由兩個(gè)指針T1、T2中間正好是一個(gè)完整的振蕩周期，可以讀出是100 ms，與理論計(jì)算相符。

圖2 脈沖信號(hào)發(fā)生器

2)實(shí)物電路圖

所謂實(shí)物圖，就是用各種實(shí)際電路元件、模塊連接起來的電路圖，是電路原理圖的實(shí)物連接形式。圖3是脈沖信號(hào)發(fā)生器實(shí)物電路圖，圖4是測得的波形圖。與圖1圖2比較，可以看出由原理圖計(jì)算和實(shí)物電路實(shí)測得到的都是周期為T=100 ms的脈沖振蕩波形。

圖3 實(shí)物電路圖

圖4 實(shí)物電路實(shí)測波形圖

但是由圖4實(shí)物電路實(shí)測結(jié)果可以看到，周期近似為100 ms，精確的說是103.015 ms，這就是實(shí)際與理論的差別。這樣的誤差基本上對(duì)于后續(xù)工作沒有太大影響，數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)上可以忽略。

3)電路3D視圖

所謂3D視圖，就是在仿真軟件提供的面包板上按照安排好的布局進(jìn)行的電路連接，可以得到和實(shí)驗(yàn)室里用面包板實(shí)物搭建的電路同樣的效果。通過電路 3D視圖，學(xué)生在課堂上就可以理解怎樣用面包板搭建、測試、分析數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)，并根據(jù)測試結(jié)果來設(shè)計(jì)、改善電路，使整個(gè)數(shù)字電路和系統(tǒng)更趨于穩(wěn)定、合理化。接下來可以利用Ultiboard12.0進(jìn)行電路的PCB制板工作。圖5(a)、(b)、(c)分別是軟件實(shí)現(xiàn)的面包板實(shí)物3D圖，PCB板圖和PCB板元件的3D視圖。

通過圖5，學(xué)生可以清楚地知道，如何對(duì)一個(gè)數(shù)字電路或系統(tǒng)進(jìn)行器件布局，布局需考慮的因素包含線路的走向及其電路板的制造成本等問題。然后通過3D視圖，學(xué)生可以很直觀地看到自己親手分析、設(shè)計(jì)再制板焊接后得到的電路，這使學(xué)生自己覺得很有成就感，同時(shí)也會(huì)大大調(diào)動(dòng)、提高學(xué)生學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐的積極性。

(a)實(shí)物電路 (b)板圖 (c)3D板圖圖4 實(shí)物電路實(shí)測波形圖

4 改革后的思考

由本文的介紹可以看到，在“數(shù)字電路與邏輯

設(shè)計(jì)”課程教學(xué)上進(jìn)行改革的必要性和重要性。尤其是加入Multisim系列仿真軟件后，學(xué)生很容易把理論和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，使原本枯燥乏味的文字教學(xué)變得圖文并茂、直觀易懂。實(shí)物的仿真與設(shè)計(jì)使學(xué)生加深了對(duì)于基本理論的理解和掌握，而理論的理解也促進(jìn)了學(xué)生對(duì)于電路器件實(shí)際運(yùn)用能力，這對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)可以達(dá)到舉一反三的目的。當(dāng)然，教學(xué)方式和方法的改革是永無止境的，隨著時(shí)代的進(jìn)步，更先進(jìn)、更合理的教學(xué)方式、方法需要教師同行進(jìn)行更深的探討和學(xué)習(xí)。

5 結(jié)語

本文所介紹的教學(xué)方式、方法改革已經(jīng)在我院2010級(jí)-2015級(jí)六個(gè)年級(jí)“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”平臺(tái)課上進(jìn)行有效地應(yīng)用，學(xué)生和教師反映效果都很好。另外據(jù)同行實(shí)驗(yàn)教師反映，該教學(xué)改革對(duì)于該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)也起到了非常好的促進(jìn)作用。

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The Teaching Reform and Practice of Digital Circuit and Logic Design Course

YUAN Zhan-sheng, ZHENG Wen-jie,QIN De-xing

(SchoolofInformationEngineering,JimeiUniversity,Xiamen361021，China)

This paper introduces the teaching method of practicing reform for the Digital Circuit and Logic Design course by using virtual electronic platform NI Multisim12.0. By introducing the virtual platform in the teaching, it helps to achieve the practicing simulation and to enhance students′ understanding of the theory. It would not only improve the students′ enthusiasm of learning and stimulate students′ interests in practice ,but also improve the teachers′ level of instruction.

teaching reform; virtual electronic lab; 3D view; simulation

2016-06-25;

2017-02- 03

袁占生(1972-)，男，碩士，講師，主要從事數(shù)字邏輯理論與微電子學(xué)理論教學(xué)與科研,E-mail：yuanzhansheng@126.com 鄭文杰(1982-)，男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及EDA實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)。

TP331

A

1008-0686(2017)03-0095-03