“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”課程教學(xué)改革與實踐

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)

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”課程教學(xué)改革與實踐

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”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NI Multisim12.0。以此實現(xiàn)直觀的實踐仿真，增強學(xué)生對理論理解，既提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，又激發(fā)了學(xué)生對實踐環(huán)節(jié)的興趣，也提高了教師的教學(xué)水平。

教學(xué)改革；虛擬電子實驗室；3D視圖；仿真

0 引言

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”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平臺課。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)特點是實踐性，強調(diào)理論聯(lián)系實際，注重培養(yǎng)實踐能力。所以，必須對教學(xué)方法、教學(xué)方式進行改革。以下是多年來我們在該課程教學(xué)實踐中獲得的一點經(jīng)驗體會。

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，理論偏高偏深，但理論聯(lián)系實際不夠，實踐性較弱。其次是教學(xué)方法，多為理論灌輸式，很少在課堂教學(xué)中涉及實踐環(huán)節(jié)。針對這些弊端，必須強調(diào)理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)實踐能力，讓學(xué)生自己動手，以自己的思維、想法來設(shè)計和實踐。這促使我們在教材和教法上必須進行一定的改革。

2 改進措施

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)院平臺課統(tǒng)一教材。其次，在實踐方面，根據(jù)學(xué)校教務(wù)處和學(xué)院的要求，在實驗課程中加大設(shè)計性、綜合性實驗所占的比例，使學(xué)生在完成設(shè)計性和綜合性實驗的過程中大大加強了實踐動手能力。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。比如計算機輔助、制作CAI課件等，實現(xiàn)課程教學(xué)方式和方法的現(xiàn)代化。我們在該課程實際授課時，引入電子電路仿真軟件NI Multisim12.0和Ultiboard12.0軟件作為虛擬平臺，來加強對每一個實際電路的仿真分析。

3 改進實例

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，開展課堂實驗，達到理論聯(lián)系實際的效果。

3.2 應(yīng)用電路仿真分析

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

1)電路原理圖

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

圖1 脈沖信號發(fā)生器原理電路

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

T=(R1+2R2+RP+RP′)C1

(1)

給定參數(shù)計算，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，由兩個指針T1、T2中間正好是一個完整的振蕩周期，可以讀出是100 ms，與理論計算相符。

圖2 脈沖信號發(fā)生器

2)實物電路圖

所謂實物圖，就是用各種實際電路元件、模塊連接起來的電路圖，是電路原理圖的實物連接形式。圖3是脈沖信號發(fā)生器實物電路圖，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算和實物電路實測得到的都是周期為T=100 ms的脈沖振蕩波形。

圖3 實物電路圖

圖4 實物電路實測波形圖

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

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行的電路連接，可以得到和實驗室里用面包板實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、改善電路，使整個數(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進行電路的PCB制板工作。圖5(a)、(b)、(c)分別是軟件實現(xiàn)的面包板實物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，如何對一個數(shù)字電路或系統(tǒng)進行器件布局，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，同時也會大大調(diào)動、提高學(xué)生學(xué)習(xí)和動手實踐的積極性。

(a)實物電路 (b)板圖 (c)3D板圖圖4 實物電路實測波形圖

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”課程教學(xué)上進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。實物的仿真與設(shè)計使學(xué)生加深了對于基本理論的理解和掌握，而理論的理解也促進了學(xué)生對于電路器件實際運用能力，這對于學(xué)生學(xué)習(xí)可以達到舉一反三的目的。當(dāng)然，教學(xué)方式和方法的改革是永無止境的，隨著時代的進步，更先進、更合理的教學(xué)方式、方法需要教師同行進行更深的探討和學(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-2015級六個年級“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”平臺課上進行有效地應(yīng)用，學(xué)生和教師反映效果都很好。另外據(jù)同行實驗教師反映，該教學(xué)改革對于該課程實驗教學(xué)也起到了非常好的促進作用。

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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，實驗師，主要從事數(shù)字邏輯設(shè)計及EDA實驗實踐教學(xué)。

TP331

A

1008-0686(2017)03-0095-03