虛擬項目教學(xué)在數(shù)字電子技術(shù)課程中的應(yīng)用

王 海

（安徽經(jīng)濟管理學(xué)院 信息工程系，安徽 合肥 230051）

1 引言

數(shù)字電子技術(shù)是高校電類相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，工程實踐性強，教學(xué)難度大，傳統(tǒng)的教學(xué)方法學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足.國內(nèi)許多教師在教學(xué)方法上進行了大量的研究和改革，取得了許多研究成果，歸納起來主要表現(xiàn)在以下三個方面：一，在理論教學(xué)中引入仿真軟件，利用事先做好的電路文件在課堂上進行仿真演示；二，在實驗環(huán)節(jié)引入仿真軟件，利用仿真軟件解決實驗器材不足的問題；三，設(shè)計項目進行實物制作，達到項目教學(xué)的目的.但限于客觀條件的束縛，要么效果不明顯，要么實現(xiàn)困難.本文擬采用虛擬項目教學(xué)的方式來解決以上問題，通過一個學(xué)期的實踐，取得了較好的教學(xué)效果.

虛擬項目教學(xué)是一種用仿真軟件實現(xiàn)一個完整的項目過程的教學(xué)方法.首先要求教師設(shè)計出符合教學(xué)大綱且難度中等的項目，然后在教師的指導(dǎo)下要求學(xué)生制定項目實施計劃，完成整個項目.教師通過整個項目的實施過程充分調(diào)動學(xué)生的積極性，達到理論和實踐相結(jié)合，提升學(xué)生綜合能力的目的.

本文采用的仿真軟件是Multisim10.Multisim10是美國NI(National Instruments)公司開發(fā)的EWB(Electronics Workbench)仿真軟件.該軟件配有豐富的元器件數(shù)據(jù)庫和種類齊全的虛擬測試儀器儀表，同時提供了較為詳細的電路分析功能，適合學(xué)生進行脫離實驗箱束縛進行項目創(chuàng)新，鍛煉獨立思考能力與創(chuàng)新能力.

2 虛擬項目的構(gòu)建

虛擬項目構(gòu)建的原則是，設(shè)計的虛擬項目應(yīng)覆蓋該課程大部分的知識點和技能點，同時能進行適當(dāng)擴展.具體操作時，要求學(xué)生以小組為單位，共同制定項目實施計劃，分工協(xié)作完成整個項目.學(xué)生通過實施項目達到加深課程中關(guān)于該項目相關(guān)知識點、技能點的理解，并感受這些知識和技能應(yīng)用到實踐中的過程，真正達到學(xué)以致用的目的.

根據(jù)以上原則，可以將數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計為4類12個子項目，如表1所示.

教師在教學(xué)過程中，可以根據(jù)具體情況對項目具體內(nèi)容進行增減.

3 實例驗證

本文以數(shù)字時鐘的設(shè)計為例介紹虛擬項目教學(xué)在數(shù)字電子技術(shù)課程中的應(yīng)用.虛擬項目教學(xué)在具體操作時，可以分三個階段進行.具體如下：

3.1 項目準備階段

該階段教師的主要工作是根據(jù)課程能力要求設(shè)計出符合大綱的項目，結(jié)合該項目介紹相關(guān)知識點，并給出項目的具體參數(shù)和不同的層次要求；學(xué)生的主要工作是根據(jù)項目的具體參數(shù)結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容通過查找相關(guān)資料設(shè)計出符合要求的具體電路.

數(shù)字時鐘是用數(shù)碼顯示的一種現(xiàn)代計時器，具有走時準確、顯示直觀的特點.該項目具體的功能要求如下：

表1 數(shù)字電子技術(shù)課程虛擬項目實訓(xùn)內(nèi)容

（1）設(shè)計一個具有時、分、秒的十進制數(shù)字顯示的計時器.

（2）具有手動校時、校分的功能.

（3）通過開關(guān)能實現(xiàn)小時的十二進制和二十四進制轉(zhuǎn)換.

結(jié)合以上參數(shù)要求，可以對數(shù)字時鐘電路進行總體設(shè)計，具體原理框圖如圖1.

圖1 時鐘電路的原理框圖

3.2 項目實施階段

該階段要求教師隨時掌控項目的實施進度，結(jié)合學(xué)生的具體掌握程度在不改變項目主體內(nèi)容的情況下適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)具體要求；學(xué)生則根據(jù)之前的設(shè)計電路進行仿真測試.數(shù)字時鐘設(shè)計項目主要可以分解成振蕩分頻電路設(shè)計，計時電路設(shè)計，校時電路設(shè)計三個子項目.在該項目的具體實施中采用層次電路設(shè)計法，這里按三個子項目進行從下而上的方法.

3.2.1 振蕩分頻電路設(shè)計

該電路的主要功能是產(chǎn)生標準秒脈沖信號，該電路由一個555定時器和三個74160芯片構(gòu)成，具體電路如圖2所示，其仿真結(jié)果如圖3所示.在仿真正確后要求學(xué)生將電路更改成子電路的形式.

圖2 秒脈沖產(chǎn)生電路

圖3 千分頻秒脈沖仿真波形

3.2.2 計時電路設(shè)計

由圖1可以知道，整個計時電路包含秒計數(shù)器、分計數(shù)器和時計數(shù)器三者組成.秒脈沖信號經(jīng)過6級計數(shù)器，分別得到秒個位、秒十位、分個位、分十位、時個位、時十位的計時.顯示6位的“時”、“分”、“秒”需要6片中規(guī)模的計數(shù)器.其中，秒和分計數(shù)器是60進制，時計數(shù)器是24/12進制，選取74160芯片來實現(xiàn)，實現(xiàn)方法采用反饋清零法.具體電路原理圖如圖4和圖5所示.仿真正確后將其更改為子電路形式.

圖4 60進制計數(shù)顯示電路

圖5 24/12進制計數(shù)顯示電路

3.2.3 校時電路設(shè)計

校時、校分電路應(yīng)具有預(yù)置小時、預(yù)置分、等待啟動、計時等功能，在設(shè)計電路時既要方便可靠的實現(xiàn)校時校分功能，又不能影響時鐘的正常計時，通常采用邏輯門切換的方式解決.具體電路原理圖如圖6所示.在Q=1時，預(yù)置信號輸入，Q=0時，分進位信號輸入.

圖6 校時電路原理示意圖

3.3 項目總結(jié)評估階段

該階段要求教師根據(jù)學(xué)生仿真情況給出合理的評判；要求學(xué)生總結(jié)項目的收獲和體會.如某學(xué)生設(shè)計的最終電路如圖7所示，該電路將校時電路進行簡化，利用開關(guān)電路實現(xiàn)校時功能，達到設(shè)計要求.

圖7 數(shù)字時鐘電路圖

4 結(jié)束語

通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)利用Multisim 10平臺進行數(shù)字電子技術(shù)課程虛擬項目教學(xué)的方法易于實現(xiàn)，不僅解決了工程實踐性強的難學(xué)課程問題，還解決了大多數(shù)院校硬件投入不足的問題.經(jīng)過一學(xué)期的實踐，發(fā)現(xiàn)在學(xué)校數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和參與度都有了顯著提高，取得較好的教學(xué)效果.

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