Multisim仿真的數字邏輯工程素養培養

李 文， 黃 文， 趙全友， 尹向東

(湖南科技學院 計算機與通信工程系， 湖南 永州 425199)

0 引 言

數字電路與邏輯設計是信息類專業一門重要的專業基礎課[1-2]，其特點是既有較抽象的邏輯代數基礎，又有較具體的工程實踐應用。它不但要求學生掌握實用電子電路的基本原理和設計方法，更重要的是培養學生對電子電路的分析、設計及實際應用的工程能力。

在數字邏輯教學中引入Multisim虛擬仿真平臺，具有靈活、便捷、易于實現等優點[3-5]，只要擁有一臺電腦，便可激發學生學習知識的興趣，同時又培養了學生的創新能力和實踐應用能力。

而目前數字邏輯教學過程中存在著一些問題，Multisim軟件仿真的容錯性設計，使得教學過程中學生的工程素養的培養方面不能得到較好的訓練。這就要求我們在教學過程中注重工程實踐能力的培養和訓練，注重工程實踐細節分析與設計，提高數字邏輯電路教學效果，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，提出“知識講解項目化、項目實施工程化、工程實戰一體化”的教學模式，重點闡述在教學活動中貫徹這一教學模式的實踐，從而促進學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，促進學生更好地了解工程設計實際所面臨的問題，有效地進行工程素養培養。

1 課程分析及其教學中存在的問題

數字邏輯課程是信息類專業重要的專業基礎課，擔負著鞏固并升華前續課程理論知識，培養學生對數字系統的分析設計能力、工程實踐能力和創新應用能力的重任，為后續相關課程打下牢固的硬件基礎，在計科專業教學中具有承上啟下的重要地位。特別在CDIO工程教育背景下，該課程對學生動手能力的培養與工程素養的培養就更加重要。

數字邏輯課程的特點是：① 是一門既抽象又具體的課程。抽象性表現在邏輯代數的相關定理、定律及邏輯問題的提取和描述上，具體性表現在邏輯問題的工程應用實現上。② 理論知識和工程實踐應用結合緊密。該課程各部分知識與實際應用直接相關，實踐中要求學生對理論知識進行綜合運用，能夠學會設計一些典型的數字電路，真正培養解決實際問題的能力。③ 邏輯設計思路方法靈活多變。實際設計的許多問題的方法多變，主要取決于設計者的邏輯思維推理能力、知識廣度和深度、以及工程實際應用能力。

目前教學中的主要問題是工程素養培養缺失，表現在：① 在教學方式上，很多教師整堂課以教師為中心。教師與學生、學生與學生之間缺少互動，學生分析問題、解決問題的工程應用能力無從談起，更不要說創新精神的培養。② 在教學內容上，選取具體教學項目及實現方案的擴展性及涉及相關課程知識不夠，使學生無法與實際工程項目無縫對接，不能很好地培養解決實際問題的能力。③ 在教學手段上，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代化教學，導致學生與現代較為先進的設計理念接觸甚少，與工程實際脫離。④ 在實踐環節上，一些教師只授人以魚而不授人以漁，忽視實踐中各環節及其工程細節，致使學生在面對具體工程問題時不知所以。⑤ 教師隊伍中，現在的高校，尤其是新建地方本科院校，從事工學專業課程教學的教師中青年教師是主力，他們從業經歷大多從學校到學校，工程實踐相當貧乏，自身的工程素養不夠，以致教學與實踐脫節。⑥ 學生訓練方面，沒有或很少經歷過真正的工程訓練，對工程缺乏起碼的感性和理性認識，在學習數字邏輯及相關課程時效果較差。

2 課程知識與工程素養結合

對于計科專業來講，根據我校培養應用型高級工程技術人才的目標，并結合培養方案中設置的專業課程有針對性地進行訓練。為學生創造一種提高其動手能力和解決工程實際問題能力的學習環境，加強學生工程素養培養，提高分析問題及解決問題的能力[11-12]。

為達到教學目標，應根據專業領域和社會實際需求，在課程教學中融入工程設計理念及工程設計實施過程，讓課程知識教學與工程素養的培養有機地結合。教學過程中應注意：① 可行性。在教學上，遵循科學合理的基礎，讓學生盡可能融入到工程實戰中，從實際出發提出問題和解決問題。② 實用性。針對課程特點，所選內容緊跟學科的發展步伐。③ 連貫性。課程與課程之間要有聯系渠道，工程訓練要落實到每門課程之中，以課程設計為契機把課程知識與專業素養結合，并在平時學習當中逐步提高和完善，轉變成一種素質。

3 工程訓練在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、數字和模擬/數字混合電路進行設計和仿真。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、電路圖的創建、測試分析和仿真結果一體化。因此，特別適合于數字邏輯課程教學及工程訓練。

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中工程細節的分析以培養學生工程素養。

3.1 知識講解項目化

數字邏輯課程的主要知識點包括：數制、字符編碼、門電路、觸發器、組合邏輯電路、時序邏輯電路、555定時器、A/D和D/A轉換器、計數器、寄存器等。在傳統的教學中，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習初期目標不明確，學生在學習前期容易喪失興趣與信心。

項目驅動的教學方式是以做項目為中心來組織課程教學[13-15]。我們結合數字邏輯課程實踐性強的特點，將知識點圍繞項目展開，根據項目的工程實施過程來安排講課內容。因此，選擇具有系統性及代表性的工程項目，以突出項目訓練的完整性，使學生在做項目的過程中學習必要的知識?！盎@球24S顯示報警電路設計”項目是一個典型的例子。此項目實施過程涉及數字邏輯課程的絕大部分知識點，形成了“做-學-悟”三維一體立體式多層次、多目標教學。具體項目設置如表1所示。

表1 籃球24S顯示報警電路設計

3.2 項目實施工程化

具體分為以下4個階段：① 構思階段。每個項目實施時，教師先規定項目要求，分析一些涉及本項目的關鍵知識點。② 設計階段。學生課外查找資料，進行軟件仿真，并在開放實驗室制作與任務相關的硬件電路，期間教師定期解答學生設計過程中的問題，對個別有困難的學生進行重點指導。③ 實施階段。學生課內自行調試、測試硬件，互相交流，完善系統的設計。根據實驗現象、結果撰寫綜合設計性實驗報告。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。教師總結項目設計過程中的普遍性問題，講授經驗教訓，教師對學生的項目完成情況進行考核評定。

3.3 仿真實戰一體化

采用Multisim虛擬平臺設計電路，不但降低了實驗成本以彌補硬件教學資源的不足，而且有利于啟發和拓展學生的設計思維。它對更新教學方法，提高教學質量，改善教學效果有著革命性的作用。

Multisim仿真軟件容錯功能強大，也帶來了仿真設計上一些工程設計細節問題的教學嚴重缺失。因為學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的教學方法。從培養學生運用課程知識、提高實際工程素養和訓練工程應用能力出發，應該把Multisim仿真教學和工程實戰有機地統一起來，取長補短，充分發揮各種實驗方式的優勢。

以籃球24S顯示報警電路設計為例，電路仿真圖如圖1所示。詳細分析教學中應該注意的工程細節：① 555多諧振蕩模塊，電阻、電容的選取應該根據工程實際進行合理參數選取。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整；③ 計數模塊，中規模集成計數器的種類繁多，應綜合考慮功能、價格、復雜度等因素進行設計選型；④ 譯碼模塊，顯示譯碼模塊要根據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，根據實際應用場合選取一定型號的七段數碼顯示管，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動電路，限流電阻保護數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動，及發光二極管限流電阻選??；⑦ 開關模塊，提供高低電平的開關的類型、大小等適合安裝問題；⑧ 門電路類型的統一問題，使用門電路的時候盡量使用或向同一種類電路轉換，以節省成本、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 語

從根本上使工程教育回歸工程，提升高等教育質量，使高等教育培養大批具有國際競爭力的工程應用型人才。我們需從課程實踐出發，切實落實學生素養的培養機制。

我們必須從宏觀上更新教育理念，改革教育體系，切實實現課本知識和工程實踐相統一。從微觀上必須從專業課程的特點、教與學雙方的實際出發，強化師資隊伍的工程實踐能力，改進教學方法切實加強學生工程素養的培養。

圖1 籃球24S違例顯示報警電路仿真圖

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