馬騰達

[摘 要] 對傳統(tǒng)數(shù)電教學的基本特點進行分析，基于虛擬仿真技術，使用EDA工具軟件Proteus，開發(fā)了一套用于功能演示的數(shù)字化教學資源，并基于虛擬仿真技術對課程內容進行綜合化應用的教學活動探索。這些教學實踐取得了良好的效果，為培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力打下了基礎，符合教育部提出的“金課”課程改革方向。

[關鍵詞] 數(shù)字電子技術;虛擬仿真;綜合應用;Proteus

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）41-0245-03? ? [收稿日期] 2019-11-06

數(shù)字電子技術是電類相關專業(yè)的一門基礎課程[1]，主要任務是使學生掌握數(shù)字電子技術的基本概念和基本理論，掌握常用的組合邏輯電路、時序邏輯電路的基本邏輯功能及使用方法，為數(shù)字電路的分析和設計提供必要的基礎理論知識，培養(yǎng)學生邏輯推理能力、綜合分析能力和理論聯(lián)系實際能力，以及正確運用所學知識進行簡單數(shù)字系統(tǒng)的分析和設計。

數(shù)字電子技術在專業(yè)中的地位十分重要，它不僅為后續(xù)的專業(yè)課學習打好理論基礎，也為學生畢業(yè)后從事相關工作提供基礎知識。通過該課程的學習，可以培養(yǎng)學生的分析問題、解決問題的能力以及工程應用的能力，為培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力打下基礎。

一、傳統(tǒng)數(shù)電教學中的基本特點分析

在傳統(tǒng)的課堂教學中，主要以板書、PPT講解為主，穿插動畫或視頻資源。對于數(shù)電課程而言，其具有較強抽象性，單純憑借板書或PPT學生較難深入理解。而動畫或視頻只能演示某一固定的內容，例如對于譯碼器，如果隨機給出任意輸入，演示其對應的輸出，依靠視頻或動畫這種固定性的資源，就顯得有些無能為力了。

在傳統(tǒng)的課堂教學中，以講授大綱和教材中要求的知識內容為主，而將多個知識內容綜合到一起進行分析和設計的內容較少。例如，在講解常用組合邏輯電路時，一般是單獨講解如編碼器的原理及應用、譯碼器的原理及應用等，而在講解常用時序邏輯電路時，一般是單獨講解寄存器的原理及應用、計數(shù)器的原理及應用等，而較少將這些電路如譯碼器、寄存器、計數(shù)器等組合到一起進行分析和講解。

基于以上兩個特點，導致的結果就學生的綜合應用能力較弱，解決復雜工程問題的能力基礎薄弱。典型的情況就是單獨考查某一電路如譯碼器，大部分學生都能正確回答，當面對需要涉及兩種及以上電路才能解決的問題時，大部分學生難以正確回答。

為了解決這些問題，結合教學實踐和科研經(jīng)歷，并結合教育部對本科教學的新要求，為培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力打下堅實基礎，將虛擬仿真技術引入了教學實踐當中，取得了良好的效果。

二、基于虛擬仿真技術的數(shù)字化教學資源建設

數(shù)字電子技術是抽象程度較高的課程，僅憑公式推導和課堂講解，較難取得良好的教學效果?；谔摂M仿真技術，使用EDA（Electronic Design Automatic，電子設計自動化技術）工具軟件Proteus，開發(fā)了一套用于功能演示的數(shù)字化教學資源。

將現(xiàn)代信息技術與教育教學深度結合，基于虛擬仿真技術，將課程中的電路進行仿真和演示，以可視化的信息作用于學生，將數(shù)字電子技術的一些基本概念和邏輯器件的功能進行直觀演示，使學生能夠快速和深入地理解相關理論知識。將Proteus仿真軟件與傳統(tǒng)的理論教學方式相結合有助于提高學生數(shù)電知識的學習能力和應用能力[2]，同時，還能夠將EDA技術融入數(shù)字電子技術課程的整個教學環(huán)節(jié)[3-5]。

如圖1所示，基于虛擬仿真技術，通過如開關、發(fā)光二極管、數(shù)碼管、邏輯標簽等直觀的方式，將輸入和輸出的高低電平的變化可視化展現(xiàn)出來，既能實現(xiàn)數(shù)字電路的功能演示，又能實現(xiàn)數(shù)字電路工作過程的演示，適合于課堂教學演示。

開發(fā)的數(shù)字化教學資源中，包括了教材中的經(jīng)典例題以及常用組合邏輯電路和時序邏輯電路等，詳細內容表1所示。

這種基于虛擬仿真技術的數(shù)字化教學資源應用于教學中，符合教育部“金課”的“創(chuàng)新性”要求，即前沿性和時代性，其教學形式體現(xiàn)先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化[6]。課堂教學實踐也表明，學生對知識內容的掌握更加深入，為培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力打下了堅實基礎。

三、基于虛擬仿真技術的課程知識綜合化應用

將課程各章節(jié)內容有機結合到一起，讓學生設計或分析需要多個功能電路、多個芯片器件復合到一起的電路，結合虛擬仿真技術，便于在課堂上開展課程知識內容的綜合化應用教學活動。

以組合邏輯電路中的七段數(shù)碼顯示譯碼芯片和時序邏輯電路中的串行移位寄存器芯片結合到一起為例，闡述如何將課程知識內容進行綜合應用。

在講解譯碼器的內容時，為學生講解七段數(shù)碼顯示譯碼芯片功能時，對該芯片的輸入、輸出、功能做了全面介紹;在講解寄存器時，為學生講解串行移位寄存器時，對該芯片的輸入、輸出、功能做了全面介紹。對學生提出思考題：某一系統(tǒng)中，單片機僅有2個空余引腳用于顯示系統(tǒng)，控制2個七段共陰極數(shù)碼管顯示數(shù)字，如何綜合運用所學知識實現(xiàn)該功能？

大部分學生能夠想到需要使用2個七段數(shù)碼顯示譯碼芯片控制數(shù)碼管，但這樣至少需要提供8個引腳進行控制，而系統(tǒng)中只有2個空余引腳可供使用。引導學生思考，使用串行移位寄存器，來將串行數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)，解決該問題。采用虛擬仿真技術，在Proteus軟件中，將所需要使用的芯片布局出來。如圖2所示，圖中芯片為課堂中單獨講解過的74系列芯片74x194，四位雙向移位寄存器，七段數(shù)碼顯示譯碼芯片CD4511，以及七段共陰極數(shù)碼管。

進而讓學生運用所學知識，將兩個4位的串行移位寄存器連接成一個8位的串行移位寄存器，并對各個控制引腳施以正確的控制電平。設計完成的電路如圖3所示。

繼續(xù)引導學生思考，如果希望數(shù)碼管顯示27，如圖4所示，那么，該控制單片機的2個引腳應該輸出什么樣的電平？或者給出單片機的引腳電平變化，讓學生判斷最終數(shù)碼管會如何顯示。

以上以一個簡單的顯示系統(tǒng)設計為例，說明了如何引導學生對知識進行綜合運用，培養(yǎng)學生解決綜合問題的能力。本例對于具有電路設計經(jīng)驗或參加了一些實踐類競賽的學生而言并不困難，也不能稱之為復雜工程問題，但對于剛剛學完移位寄存器的同學而言，卻可以稱之為復雜工程問題，從這些簡單的綜合性應用中，不斷為培養(yǎng)學生解決真正的、跨學科的、跨專業(yè)的復雜工程問題的能力打下知識基礎和能力基礎。

對多個功能電路、多個芯片器件復合到一起的具有一定復雜性的電路進行分析和設計的能力，培養(yǎng)學生將課程知識內容的綜合化應用能力，符合“金課”中“高階性”的要求，即知識能力素質有機融合，培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維[6]。在后續(xù)課程中，學生將所學知識應用到實際電路中時，使得課程不再停留在課本，而是深入到了實踐，課程具有一定的“挑戰(zhàn)度”，符合“金課”的要求，即課程有一定難度，需要跳一跳才能夠得著，對老師備課和學生課下學習有較高要求[6]。

四、結語

基于虛擬仿真技術的數(shù)字化教學資源，在教學實踐中取得了良好效果，能夠直觀演示電路功能，學生對知識的理解更為深入。結合虛擬仿真技術，將課程知識內容進行綜合化應用的教學活動探索，使學生不僅掌握了一個個知識點，而且能夠綜合運用所學知識解決實際問題，極大地激發(fā)了學生的學習興趣，提高了學生的學習能力。將虛擬仿真技術引入到數(shù)電課堂中，能夠為培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力打下基礎，符合教育部提出的“金課”課程改革方向。

參考文獻

[1]康華光.電子技術基礎數(shù)字部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]劉琨.基于雨課堂的數(shù)字電子技術精品共享課程建設探索[J].智庫時代，2018（51）：226-227.

[3]馮瑞玨.Proteus仿真在“電路”課程教學中的應用[J].中國電力教育，2014（12）：55-56.

[4]張霽晨.探究數(shù)字電子技術實驗中的EDA技術[J].電子制作，2018（20）：57-58+66.

[5]張文娟.Simulink仿真在“數(shù)字電子技術”中的應用[J].內江科技，2018，39（09）：49+51.

[6]吳巖.建設中國“金課”[C].第11屆中國大學教學論壇，2018，11.