王心剛， 賀 利， 張冬至， 姜文聰， 任旭虎

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

數(shù)字邏輯電路精品實驗項目的設(shè)計與實踐

王心剛， 賀 利， 張冬至， 姜文聰， 任旭虎

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

數(shù)字邏輯電路綜合設(shè)計性實驗-汽車尾燈控制電路將《電工電子學》課程中數(shù)字邏輯電路部分的內(nèi)容融合于一體，作為一個精品實驗項目進行建設(shè)。項目實施過程中理論教學與實驗教學相輔相成，實驗預(yù)習作為理論課的大作業(yè)，通過小組合作的方式完成，保證高質(zhì)量的預(yù)習效果；學生自主設(shè)計實驗步驟，個人獨立完成實驗；實驗時間由2學時改為4學時，保障學生有充分的分析問題、解決問題、優(yōu)化電路的時間。從學生提交的多種預(yù)習設(shè)計方案以及實驗過程中排除故障、優(yōu)化方案來看，該精品實驗項目培養(yǎng)了學生運用知識解決問題的能力，提高了學生工程實踐能力。

數(shù)字邏輯電路； 汽車尾燈控制電路； 精品實驗項目； 實驗預(yù)習； 工程實踐能力

0 引 言

通過精品實驗項目建設(shè)，提高實驗教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力，各高校都在進行探索和實踐，并取得了良好的效果[1-5]。我校目前也開啟了精品實驗項目建設(shè)計劃，通過打造一個個具體的精品實驗，構(gòu)建以培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力為目標的實驗教學體系，全面提升我校實驗教學質(zhì)量[6]。在長期教學經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，通過對電工電子學課程中數(shù)字邏輯電路內(nèi)容的梳理，設(shè)計了“數(shù)字邏輯電路綜合設(shè)計性實驗-汽車尾燈控制電路”作為精品實驗項目。該項目將兩個成熟的小型設(shè)計性實驗內(nèi)容進行加工、提煉合成一個有設(shè)計情境的綜合實驗。項目實施中改變觀念，理論教學與實驗教學相輔相成，理論教學老師負責實驗預(yù)習部分，以保證預(yù)習質(zhì)量；加長實驗時間，以保證學生有分析問題、解決問題的時間；采取小組合作預(yù)習、個人獨立實驗，以保證每個學生都能得到鍛煉。通過這些措施使學生在查閱資料、實驗設(shè)計、實驗操作等方面得到系統(tǒng)訓(xùn)練，增強了學生對理論知識的綜合運用能力，促進了師生之間、學生之間的交流，達到了高質(zhì)量培養(yǎng)素質(zhì)人才的目的。

1 精品實驗項目的設(shè)計

精品實驗項目應(yīng)有時間的積淀和綜合性[7]。電工電子學[8]課程數(shù)字邏輯電路部分授課內(nèi)容主要包含組合邏輯電路和時序邏輯電路，針對這兩部分內(nèi)容，開設(shè)的設(shè)計性實驗有兩個。一個是“組合邏輯電路的設(shè)計”，要求用與非門74LS00完成下列電路設(shè)計：①F=ABC、F=A+B等；②三變量表決電路的設(shè)計。另一個是“計數(shù)、譯碼和顯示電路”，要求用74LS90和74LS161實現(xiàn)60進制計數(shù)器[9]。這兩個設(shè)計性的實驗?zāi)茏寣W生鞏固理論授課的相關(guān)知識，但按精品實驗的要求，這兩個實驗的設(shè)計性和綜合性就顯得不夠了。兩個實驗的設(shè)計要求過于明確，學生無需對知識進行整合和篩選就能完成。

汽車尾燈控制電路包含了組合邏輯電路和時序邏輯電路的設(shè)計，其設(shè)計要求如下：假設(shè)汽車尾部左右兩側(cè)各4個指示燈(實驗箱上用發(fā)光二極管模擬，仿真用PROBE模擬)。① 汽車正常運行時指示燈全滅。② 汽車右轉(zhuǎn)彎時，右側(cè)4個指示燈從左向右循環(huán)順序點亮。③ 汽車左轉(zhuǎn)彎時，左側(cè)4個指示燈從右向左循環(huán)順序點亮。④ 汽車剎車時兩側(cè)指示燈同時亮。⑤ 脈沖電路不需要設(shè)計，由實驗箱提供。

選用汽車尾燈控制電路作為精品實驗來建設(shè)，是因為它有以下3個特點。

(1) 實驗內(nèi)容設(shè)計性、綜合性強。汽車尾燈控制電路包含了數(shù)字電路的主要內(nèi)容，其設(shè)計要求只有電路功能的描述，學生為了完成任務(wù)就需要在宏觀上了解數(shù)字邏輯電路的所有內(nèi)容，將所學知識進行篩選和整合，在微觀上再把自己用到的內(nèi)容強化學習，最后得到項目方案。

(2) 巧設(shè)情景，激發(fā)學生制作電路的興趣。學生熟悉汽車，知道汽車尾燈的工作過程。將實驗內(nèi)容用汽車的形式展現(xiàn)出來，讓學生感到學有所用，引起學生興趣，提高學生設(shè)計電路的積極性。

(3) 相關(guān)實驗方案易查閱，且具有多樣性。學生在查閱資料時可以方便查到用數(shù)字芯片、單片機、PLC等不同器件實現(xiàn)的汽車尾燈控制電路的方案，學生在看這些資料時有些雖然難以深刻理解，但可以達到開卷有益、開闊思路的效果。

2 精品實驗項目的實施

2.1理論教學注重學生設(shè)計思維的訓(xùn)練

理論教學遵照先講解理論知識，再介紹相關(guān)芯片及其設(shè)計電路的思路，最后仿真演示應(yīng)用電路的順序組織授課內(nèi)容。

比如與或非等邏輯門講完后，會介紹相關(guān)芯片，讓學生用與非門實現(xiàn)F=A+B，并用Multisim仿真驗證其正確性；分析了組合邏輯電路F=A⊕B⊕C的功能后，會介紹數(shù)據(jù)傳輸中如何判斷接收數(shù)據(jù)是否正確的方法—奇偶校驗，此電路可以判斷是否有1位傳錯；編碼器、譯碼器講完后，會介紹芯片74LS148、74LS138和74LS48，課堂上帶領(lǐng)學生設(shè)計6人病房呼叫系統(tǒng)，用7段數(shù)碼管顯示呼叫病人，課下要求學生在此基礎(chǔ)上改造，用PROBE顯示呼叫病人，實現(xiàn)8人病房呼叫系統(tǒng)并仿真驗證，學生實現(xiàn)的電路之一如圖1所示，從設(shè)計方案可以看出學生不僅掌握了設(shè)計思路，還熟練掌握了74LS148、74LS138芯片，為后面設(shè)計汽車尾燈控制電路做好了準備；觸發(fā)器講完后，會介紹芯片74LS74、74LS175和74LS112，設(shè)計2/4/8計數(shù)器/分頻器以及4人搶答電路；計數(shù)器介紹芯片74LS161、74LS90及其應(yīng)用后，要求學生設(shè)計一個秒表等。

2.2小組合作預(yù)習、理論授課老師把關(guān)，保證預(yù)習的質(zhì)量

凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢。做實驗也不例外。預(yù)習不充分，實驗中遇到問題沒有解決思路，出現(xiàn)的異常現(xiàn)象不能深入思考背后的實質(zhì)，不利于學生的實驗技能提高。因此實驗預(yù)習的重要性怎么強調(diào)也不過分。

電工電子學課程理論教學和實驗教學分別是由不同老師授課的。實驗預(yù)習報告要求學生在實驗前完成，實驗時交給實驗老師。由于沒有督促，很多學生都是臨實驗前匆匆完成實驗預(yù)習報告。對于汽車尾燈控制電路，學生不經(jīng)過深思熟慮，很難完成預(yù)習報告。為了保證預(yù)習報告的質(zhì)量，鼓勵學生獨立自主的完成設(shè)計方案，對預(yù)習報告環(huán)節(jié)進行了改革。

在數(shù)字邏輯電路部分授課結(jié)束后，理論老師布置一個大作業(yè)，作業(yè)需完成的內(nèi)容則是設(shè)計汽車尾燈控制電路，即實驗預(yù)習的內(nèi)容。采取小組合作預(yù)習方式，一個小組兩個人，可以本班組合，也可以與其他班組合，組合原則是志趣相投。建立QQ群，學生查閱資料后，與老師、同學交流，每組確定自己的方案，一周內(nèi)將作業(yè)提交給理論老師。大作業(yè)在理論課平時成績中占20%。

圖1 學生設(shè)計完成的8人病房呼叫系統(tǒng)仿真電路

為了更好地引導(dǎo)學生運用所學知識，要求實現(xiàn)的方案需用實驗室提供的芯片完成，芯片包括74LS00、74LS08、74LS20、74LS138、74LS90、74LS161、74LS112 、74LS175。應(yīng)用Multisim輔助實驗教學，可以提高實驗教學質(zhì)量與效率，增強學生的實驗興趣與創(chuàng)新意識[10-12]。因此，要求學生方案設(shè)計出來后采用Multisim[13-15]仿真驗證，并將仿真文件提交給理論老師。理論老師只檢查是否完成了設(shè)計要求，不評價方案優(yōu)劣。

學生提交的設(shè)計方案有簡單的有復(fù)雜的。對于復(fù)雜的設(shè)計方案理論老師只是提醒學生思考是否還能簡化，不否定其方案。由于篇幅有限，這里圖2～圖4只展示了學生設(shè)計的3種方案。從這3個方案可以看到學生活躍的設(shè)計思維。方案1和2設(shè)計思路巧妙，方案合理。大部分學生采用這種設(shè)計思路，只是在單元電路上有區(qū)別。比如方案1中，學生用3個與非門U12A、U13A、U14A實現(xiàn)或邏輯，用來選擇譯碼器74LS138的工作狀態(tài)；方案2中，學生用兩個二極管1N1202C實現(xiàn)或邏輯，用來選擇譯碼器74LS138的工作狀態(tài)，對于這個方案，理論老師需提醒學生在實際連電路時，二極管需要串聯(lián)一個合適阻值的電阻。還有的方案計數(shù)電路采用74LS90或74LS112實現(xiàn)，而不是用方案1和方案2中的74LS161實現(xiàn)。方案3理論可行，但實際并不這樣做，為什么不這樣做，在理論課上學生沒有找到答案，到了實驗室，實際完成電路時，按此方案做的學生深刻體會到，復(fù)雜的電路不僅使用器件、導(dǎo)線多，出故障也多，實驗用的時間遠遠超過了方案簡單的同學，按此方案設(shè)計的同學在實驗室都對該方案進行了修改。

2.3個人獨立實驗，保證每個學生得到鍛煉

圖2 學生設(shè)計的汽車尾燈控制電路之方案1

小組合作預(yù)習可以解決個人知識儲備不足，時間短、任務(wù)重的問題。為了避免搭便車的現(xiàn)象，到實驗室做實驗時，個人獨立設(shè)計實驗步驟、搭建實驗電路、分析實驗現(xiàn)象。采取這種實驗方式既可以培養(yǎng)學生團結(jié)協(xié)作的團隊精神，又督促了每個人在小組預(yù)習中積極參與，熟悉設(shè)計方案的工作原理，為個人順利完成實驗做好準備。

2.4延長實驗時間，讓學生沉心靜氣地完成實驗

汽車尾燈控制電路是一個綜合性很強的實驗，實驗的工作量增加不少，因此，將實驗時間由2學時改為4學時，保證學生有充足的時間搭建電路、分析實驗現(xiàn)象、改進電路。設(shè)計了實驗過程記錄表，引導(dǎo)學生記錄實驗過程，將遇到的問題和解決的方案記錄下來。

一個預(yù)習方案為圖3所示方案的學生，他的實驗過程記錄表中的活動內(nèi)容如下所示：①檢查導(dǎo)線通斷；②連計數(shù)器電路，顯示正確；③連接完成實驗電路；④接通電源，操作開關(guān)，發(fā)現(xiàn)指示燈能夠閃爍；⑤發(fā)現(xiàn)電路有問題，都接高電位不亮，都接低電位全亮，并且一個開關(guān)能控制兩邊燈的點亮；⑥檢查整改電路。簡化電路，將與非門U12A去掉，換成一根導(dǎo)線，在兩個二極管后面接一個1 kΩ電阻，將單刀雙擲開關(guān)換成0、1位開關(guān)；⑦驗證電路，電路運行正常，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計要求。

充足的時間使得學生可以沉心靜氣地完成實驗，并在實驗中發(fā)現(xiàn)問題解決問題，優(yōu)化電路。做完實驗后，該同學實驗報告中的仿真電路如圖5所示。相比圖3所示方案，圖5的方案更簡化，更合理。

圖3 學生設(shè)計的汽車尾燈控制電路之方案2

圖4 學生設(shè)計的汽車尾燈控制電路之方案3

圖5 學生優(yōu)化的方案

3 結(jié) 語

汽車尾燈控制電路將電工電子學課程中數(shù)字電路的內(nèi)容融合在一個實驗中，對于沒有數(shù)字電路設(shè)計經(jīng)驗的學生來說其難度是很大的。教師需改變重理論、輕實驗的觀念，改革理論授課方式，課堂上訓(xùn)練學生的設(shè)計思維，為順利完成實驗打下理論基礎(chǔ)。從實驗的預(yù)習到實驗步驟的設(shè)計、實驗的完成充分融入主體性教育，突出學生的主體地位，發(fā)揮學生的主動性和能動性[16]。學生多種預(yù)習方案以及獨立實施、優(yōu)化方案，說明此實驗項目培養(yǎng)了學生運用知識解決問題的能力，提高了學生工程實踐能力。

[1] 朱玉華,楊正宏.建設(shè)精品實驗項目,促進創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索,2008,27(1):7-9.

[2] 王士芬,施鼎方,唐賢春.建立精品實驗項目,豐富實驗教育形式[J].實驗技術(shù)與管理,2008,25(6):146-148.

[3] 王曉崗,朱仲良,張榮華,等.化學精品實驗項目建設(shè)的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(2):117-119.

[4] 趙秀春,徐國凱,陳曉云.汽車電子控制技術(shù)精品實驗項目設(shè)計與實踐[J].大連民族學院學報, 2010,12(5):497-499.

[5] 曾 飛,堵 俊.“城市交通運行控制”精品實驗項目建設(shè)與探索[J].實驗室研究與探索,2014,33(8):181-184.

[6] 董 欣,劉永紅,王龍庭,等.位置誤差測量創(chuàng)新精品實驗項目建設(shè)的探索與實踐[J]. 實驗室科學, 2014,17(5):89-91.

[7] 徐 寧,牟建明.“精品實驗項目”經(jīng)典屬性的探索[J]. 實驗技術(shù)與管理,2012,29(3):24-26.

[8] 劉潤華.電工電子學(上、下)[M].東營:中國石油大學出版社,2008.

[9] 郝寧眉,張錫珍.電工電子技術(shù)實驗與實習[M].東營:中國石油大學出版社,2006.

[10] 蒲永紅,余 粟,王維榮. Multisim輔助電工電子實驗教學的探討[J].實驗室研究與探索,2013,32(9):174-177.

[11] 付 揚, 張曉力, 黎 明,等.提高電工電子學實驗教學質(zhì)量的研究[J].實驗技術(shù)與管理,2010,27(11):246-248.

[12] 石松泉,沈紅衛(wèi),梁 偉.虛實結(jié)合的電工電子實驗教學體系的設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2008(8):184-186.

[13] 聶 典,丁 偉.Multisim10計算機仿真在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[14] 王連英.基于Multisim10的電子仿真實驗與設(shè)計[M].北京:北京郵電大學出版社,2009.

[15] 郭鎖利,劉延飛,李 琪,等.基于Multisim9的電子系統(tǒng)設(shè)計、仿真與綜合應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2008.

DesignandPracticeofExperimentalProjectinDigitalLogicCircuit

WANGXingang，HELi，ZHANGDongzhi，JIANGWencong，RENXuhu

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

Control circuit design for automobile tail light was proposed as a high-quality experimental project for integrating the digital logic circuit part in the courses of electrical and electronics. The project was performed through theoretical teaching and experimental teaching complements. The experiment preview was completed as a complicated theoretical homework and team cooperation was used to ensure a good learning effect. The related experiment was designed and done by the student independently, and the corresponding experimental duration was increased from two hours to four hours in order to guarantee the students have sufficient time to analyze, solve and optimize the experimental problems. From the various design, troubleshooting and optimization completed by the students, this project is beneficial to cultivate the ability of solving problems using the mastered knowledge and improves the students’ engineering practical ability.

digital logic circuit； automobile tail light control circuit； high-quality experimental project； experiment preview； engineering practice ability

G 642.423

A

1006-7167(2017)09-0175-04

2016-10-08

山東省教學改革研究項目(B2016M007)；山東省重點教改項目(2015Z025)；中國石油大學(華東)教改項目(JS201406)

王心剛(1969-) ，男，山東高密人，學士，副教授，研究方向電氣控制及自動化。Tel.：18266639970；E-mail: wxg7038@ sina.com