Multisim仿真的數(shù)字邏輯工程素養(yǎng)培養(yǎng)

李 文， 黃 文， 趙全友， 尹向東

(湖南科技學(xué)院 計算機與通信工程系， 湖南 永州 425199)

0 引 言

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

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

而目前數(shù)字邏輯教學(xué)過程中存在著一些問題，Multisim軟件仿真的容錯性設(shè)計，使得教學(xué)過程中學(xué)生的工程素養(yǎng)的培養(yǎng)方面不能得到較好的訓(xùn)練。這就要求我們在教學(xué)過程中注重工程實踐能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練，注重工程實踐細節(jié)分析與設(shè)計，提高數(shù)字邏輯電路教學(xué)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(xué)，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(xué)模式，重點闡述在教學(xué)活動中貫徹這一教學(xué)模式的實踐，從而促進學(xué)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(xué)生更好地了解工程設(shè)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(xué)中存在的問題

數(shù)字邏輯課程是信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，擔(dān)負著鞏固并升華前續(xù)課程理論知識，培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)字系統(tǒng)的分析設(shè)計能力、工程實踐能力和創(chuàng)新應(yīng)用能力的重任，為后續(xù)相關(guān)課程打下牢固的硬件基礎(chǔ)，在計科專業(yè)教學(xué)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(xué)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(shù)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(xiàn)在邏輯代數(shù)的相關(guān)定理、定律及邏輯問題的提取和描述上，具體性表現(xiàn)在邏輯問題的工程應(yīng)用實現(xiàn)上。② 理論知識和工程實踐應(yīng)用結(jié)合緊密。該課程各部分知識與實際應(yīng)用直接相關(guān)，實踐中要求學(xué)生對理論知識進行綜合運用，能夠?qū)W會設(shè)計一些典型的數(shù)字電路，真正培養(yǎng)解決實際問題的能力。③ 邏輯設(shè)計思路方法靈活多變。實際設(shè)計的許多問題的方法多變，主要取決于設(shè)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(yīng)用能力。

目前教學(xué)中的主要問題是工程素養(yǎng)培養(yǎng)缺失，表現(xiàn)在：① 在教學(xué)方式上，很多教師整堂課以教師為中心。教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間缺少互動，學(xué)生分析問題、解決問題的工程應(yīng)用能力無從談起，更不要說創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。② 在教學(xué)內(nèi)容上，選取具體教學(xué)項目及實現(xiàn)方案的擴展性及涉及相關(guān)課程知識不夠，使學(xué)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(xué)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(xiàn)代化教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生與現(xiàn)代較為先進的設(shè)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(xué)生在面對具體工程問題時不知所以。⑤ 教師隊伍中，現(xiàn)在的高校，尤其是新建地方本科院校，從事工學(xué)專業(yè)課程教學(xué)的教師中青年教師是主力，他們從業(yè)經(jīng)歷大多從學(xué)校到學(xué)校，工程實踐相當(dāng)貧乏，自身的工程素養(yǎng)不夠，以致教學(xué)與實踐脫節(jié)。⑥ 學(xué)生訓(xùn)練方面，沒有或很少經(jīng)歷過真正的工程訓(xùn)練，對工程缺乏起碼的感性和理性認識，在學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯及相關(guān)課程時效果較差。

2 課程知識與工程素養(yǎng)結(jié)合

對于計科專業(yè)來講，根據(jù)我校培養(yǎng)應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才的目標，并結(jié)合培養(yǎng)方案中設(shè)置的專業(yè)課程有針對性地進行訓(xùn)練。為學(xué)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(xué)習(xí)環(huán)境，加強學(xué)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(xué)目標，應(yīng)根據(jù)專業(yè)領(lǐng)域和社會實際需求，在課程教學(xué)中融入工程設(shè)計理念及工程設(shè)計實施過程，讓課程知識教學(xué)與工程素養(yǎng)的培養(yǎng)有機地結(jié)合。教學(xué)過程中應(yīng)注意：① 可行性。在教學(xué)上，遵循科學(xué)合理的基礎(chǔ)，讓學(xué)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(nèi)容緊跟學(xué)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(xùn)練要落實到每門課程之中，以課程設(shè)計為契機把課程知識與專業(yè)素養(yǎng)結(jié)合，并在平時學(xué)習(xí)當(dāng)中逐步提高和完善，轉(zhuǎn)變成一種素質(zhì)。

3 工程訓(xùn)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(shù)字和模擬/數(shù)字混合電路進行設(shè)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(jié)果一體化。因此，特別適合于數(shù)字邏輯課程教學(xué)及工程訓(xùn)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(xué)中工程細節(jié)的分析以培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)。

3.1 知識講解項目化

數(shù)字邏輯課程的主要知識點包括：數(shù)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(zhuǎn)換器、計數(shù)器、寄存器等。在傳統(tǒng)的教學(xué)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(xué)習(xí)初期目標不明確，學(xué)生在學(xué)習(xí)前期容易喪失興趣與信心。

項目驅(qū)動的教學(xué)方式是以做項目為中心來組織課程教學(xué)[13-15]。我們結(jié)合數(shù)字邏輯課程實踐性強的特點，將知識點圍繞項目展開，根據(jù)項目的工程實施過程來安排講課內(nèi)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(xùn)練的完整性，使學(xué)生在做項目的過程中學(xué)習(xí)必要的知識?！盎@球24S顯示報警電路設(shè)計”項目是一個典型的例子。此項目實施過程涉及數(shù)字邏輯課程的絕大部分知識點，形成了“做-學(xué)-悟”三維一體立體式多層次、多目標教學(xué)。具體項目設(shè)置如表1所示。

表1 籃球24S顯示報警電路設(shè)計

3.2 項目實施工程化

具體分為以下4個階段：① 構(gòu)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(guān)鍵知識點。② 設(shè)計階段。學(xué)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(wù)相關(guān)的硬件電路，期間教師定期解答學(xué)生設(shè)計過程中的問題，對個別有困難的學(xué)生進行重點指導(dǎo)。③ 實施階段。學(xué)生課內(nèi)自行調(diào)試、測試硬件，互相交流，完善系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)實驗現(xiàn)象、結(jié)果撰寫綜合設(shè)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(jié)項目設(shè)計過程中的普遍性問題，講授經(jīng)驗教訓(xùn)，教師對學(xué)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(shè)計電路，不但降低了實驗成本以彌補硬件教學(xué)資源的不足，而且有利于啟發(fā)和拓展學(xué)生的設(shè)計思維。它對更新教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，改善教學(xué)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(shè)計上一些工程設(shè)計細節(jié)問題的教學(xué)嚴重缺失。因為學(xué)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(xué)方法。從培養(yǎng)學(xué)生運用課程知識、提高實際工程素養(yǎng)和訓(xùn)練工程應(yīng)用能力出發(fā)，應(yīng)該把Multisim仿真教學(xué)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(shè)計為例，電路仿真圖如圖1所示。詳細分析教學(xué)中應(yīng)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(yīng)該根據(jù)工程實際進行合理參數(shù)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(diào)整；③ 計數(shù)模塊，中規(guī)模集成計數(shù)器的種類繁多，應(yīng)綜合考慮功能、價格、復(fù)雜度等因素進行設(shè)計選型；④ 譯碼模塊，顯示譯碼模塊要根據(jù)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(jù)實際應(yīng)用場合選取一定型號的七段數(shù)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(qū)動電路，限流電阻保護數(shù)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(qū)動，及發(fā)光二極管限流電阻選取；⑦ 開關(guān)模塊，提供高低電平的開關(guān)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(zhuǎn)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(jié) 語

從根本上使工程教育回歸工程，提升高等教育質(zhì)量，使高等教育培養(yǎng)大批具有國際競爭力的工程應(yīng)用型人才。我們需從課程實踐出發(fā)，切實落實學(xué)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(xiàn)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(xué)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(xué)方法切實加強學(xué)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

[1] 歐陽宏志,趙立宏.獨立學(xué)院“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程培養(yǎng)工程素養(yǎng)和實踐能力的探索[J].中國電力教育,2013,22:160-161.

OU YANG Hong-zhi, ZHAO Li-hong. Independent College "Basic Electronic Technology" Curriculum Project Quality and Practical Ability of Exploration[J]. China Power Education,2013, 22:160-161.

[2] 張亞君,陳 龍,牛小燕. Multisim在數(shù)字電路與邏輯設(shè)計實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2008,8(8):108-111.

ZHANG Ya-jun, CHEN Long, NIU Xiao-yan. Application of Multisim in Digital Circuit and Logic Design Experiment Teaching [J]. Experimental Technology and Management, 2008, 8(8):108-111.

[3] 薛延俠.“數(shù)字電路”實驗教學(xué)的創(chuàng)新與研究[J].實驗室研究與探索,2007,26(2):84-86.

XUE Yan-xia. Innovation and Research of Experimental Teaching for Digital Electric Circuit[J]. Reserch and Exploration in Laboratory, 2007,26(2):84-86.

[4] 李劍清.Multisim在電路實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,35(5):543-546.

LI Jian-qing. Application of Multisim Software in the Electric Circuit Experiment Teaching [J]. Journal of Zhejiang University of Technology, 2007,35(5): 543-546.

[5] 張 輝.CDIO教育理念下計算機實驗教學(xué)模式[J].實驗室研究與探索,2011,30(9):47-50.

ZHANG Hui. Research of Computer Experimental Teaching Mode Based on CDIO[J]. Reserch and Exploration in Laboratory, 2011,30(9):47-50.

[6] 盧彥群.基于CDIO理論的工程教育模式探討——以車輛工程專業(yè)為例[J].高等教育研究 ,2011,28(3):43-46.

LU Yan-qun. Discussion on Engineering Education Mode Based on CDIO Theorya Case Study of Vehicle Engineering[J]. Higher Education Research, 2011,28(3):43-46.

[7] 王 剛.CDIO工程教育模式的解讀與思考[J].中國高 教研究,2009(5):86-87.

WANG Gang. Understanding and Thinking of CDIO Engineering Education Model[J]. China Higher Education Research, 2009(5):86-87.

[8] 羅高涌,張 瑾.基于CDIO模式的校企合作辦學(xué)的工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究[J].高教探索,2011(5):71-74.

LUO Gao-yong, ZHANG Jin. Research on the Training Mode of Applied Talents of CDIO Mode Based on School Enterprise Cooperation[J]. Higher Education Exploration, ,2011(5):71-74.

[9] 曹淼孫,梁志星.基于CDIO理念的工程專業(yè)教師角色轉(zhuǎn)型[J].高等工程教育研究, 2012(1):88-91.

CAO Miao-shun, LIANG ZHi-xing. On the Transformation of Higher Engineering Professional Teachers’ Role Based on the Concept of CDIO[J]. Higher Engineering Education,2012(1):88-91.

[10] 林桔樺,唐露新,湯秀春，等.工程訓(xùn)陳中釣考業(yè)知識性與實踐性[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,4(6): 195-197.

LIN Zhe-ye, TANG Lu-xin, TANG Xiu-chun,etal. Exploring of Specialty Knowledge and Practice about Basic Skill Training of Engineering [J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2004,4(6): 195-197.

[11] 武小梅,王星華,劉 藝,等.基于實訓(xùn)教學(xué)的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].中國電力教育,2010, 30:133-134.

WU Xiao-mei, WANG Xing-hua, LIU Yi,etal. The Culture of Engineering Quality and Innovation Ability Based on Training Teaching[J]. China Power Education,2010, 30:133-134.

[12] 黎 曦,李秀敏.高職類工程測量技術(shù)專業(yè)人才職業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)途徑[J].職教論壇,2013,35(3):73-75.

LI Xi, LI Xiu-min. Ways to cultivate occupation accomplishment of higher vocational engineering measurement technology professionals [J]. Vocational Education Forum, 2013,35(3):73-75.

[13] 姜大志,孫浩軍.基于CDIO的主動式項目驅(qū)動學(xué)習(xí)方法研究——以Java類課程教學(xué)改革為例[J].高等工程教育研究,2012(5):159-164.

JIANG Da-zhi, SHUN Hao-jun. On CDIO -Based Active Project-driven Learning Method[J]. Higher Engineering Education, 2012(5):159-164.

[14] 莊哲民,沈民奮.基于CDIO理念的1級項目設(shè)計與實踐[J].高等工程教育研究, 2008(6):19-23.

ZHANG Zhe-min, SHEN Min-fen. Design and Practice of the Concept of 1 Levels of Project Based on CDIO[J]. Higher Engineering Education, 2008(6): 19-23.

[15] 王亞良,張 燁,陳 勇,等.基于CDIO的實驗項目開發(fā)與實踐[J].實驗技術(shù)與管理, 2010,27(2):55-59.

WANG Ya-liang, ZHANG Ye, CHEN Yong. Development and Practice of the Experimental Project Based on the CDIO Education Mode[J]. Experimental Technology and Management, 2010,27(2):55-59.