數字電路的實驗教學改革與探索

張婧婧　李勇偉

摘要：結合傳統實踐教學存在的問題，引出目前數字電路課程改革中面臨的困境，設計并列舉為改善課程教學效果和提高教學質量而擬定的一系列改進措施。從項目題庫的建設、實驗目標的定制、實踐方式的規范等方面直觀地剖析教改方案對學生實踐能力培養產生的積極影響。

關鍵詞：數字電路；實踐教學；改革

0 引言

數字電路的課程理論通常以基本邏輯電路、組合電路、時序電路、存儲電路、時基電路、A/D和D/A轉換電路為主線有序展開，其相應的課程實驗也由易到難，分模塊進行。在傳統的數字電路實踐課程中，主要實驗項目包括集成邏輯電路的連接和驅動、組合邏輯電路的設計與測試、計數器及其應用、555時基電路及其應用、D/A、A/D轉換器的應用等。依據上述5個基礎項目，計算機與信息工程學院分別針對CMOS集成電路的驅動、TTL集成電路的驅動、數碼管的顯示、二三人表決器、兩位數值比較器、八進制計數器、十進制加減計數器、單穩態觸發器、多諧振蕩器、施密特觸發器、A/D轉換電路、D/A轉換電路開展實驗，形式均屬于驗證型，因此實踐課程難度不大，收獲也不顯著。

為了改善學生課程實踐的效果，提高其實踐動手能力，計算機與信息丁程學院調整了數字電路實踐課程模式，加入課程設計的環節，針對電子及相關專業的130名本科生發布了12個課程設計選題。題目公布后，學生選題大致情況如圖1所示。

由圖1不難看出，學生對邏輯性強、上手較快的設計題目興趣較高，而綜合型設計題目幾乎無人問津。據進一步統計，學生選題后的完成情況同樣不容樂觀，130名選課學生及作品中，94名學生能夠完成仿真電路設計；48個作品進行了實驗儀上的系統調試，其中僅有14個作品完成實物制作且實現了基本功能。在12項課程設計選題中，完成質量較高的項目分別為病床呼叫器、16位廣告燈、智能搶答器、24秒倒計時器；完成質量一般的包括交通燈、簡易鍵盤、數字密碼鎖、簡易電子琴、波形發生器；只能完成部分功能的項目是簡易的出租車計費器、數字頻率計和數字電壓表。

隨著課程改革的深入和課程設計的嘗試，在突破了傳統教學的單一模式之后，計算機與信息工程學院數字電路的課程實踐仍遭遇了知難而退的尷尬局面。針對現狀，筆者進一步探討數字電路實驗課改后幾個能夠明確改進的方向。

1 加強實驗項目的題庫建設

就實驗項目而言，數字電路的實踐課程嘗試了9個基礎實驗和12項課程設計，但與實驗項目多層次的特點相比，項目題庫還是略顯單薄。例如，在基礎實驗中，學生已經掌握了常用功能芯片（如數值比較器74LS85、計數器74LS192、NE555）的應用，甚至包括數碼管的譯碼原理，但是當選中課程設計的題目（如模擬出租車計價器）時，學生仍然會力不從心，這就意味著從基本實驗項目邁向課程設計，中間缺少橋梁。

數字電路的實驗雖然分模塊進行，但彼此關聯，容易形成不同層次的項目。此外，數字電路情境項目的素材豐富，與實際問題聯系緊密，如針對多諧振蕩器、計數器、A/D轉換實驗，設計一個三角波發生電路用以結合三者，就能夠自然地建立起模塊之間的關聯，強化學生的實驗技能，而在此基礎上完成波形發生器的課程設計，就使得課程設計變得直觀、有趣和理所當然；又如在完成基本邏輯電路、555時基電路和計數器及數碼管的顯示等實驗后，布置一個技巧性強的課程設計——數字頻率計對學生來說跨度較大，那么在此前先引入一個1s脈沖計數器的設計，就能夠引導學生理順頻率測量的思路了。因此，在實踐環節中不斷加入多層次的橋梁實驗并按實驗進度發布題目，將有助于學生很好地建立課程設計與基礎實驗之間的關聯。

2 細化實驗的目標和要求

數字電路課程的實踐和其他課程一樣由易到難，需要分層次進行。實驗指導過程中除了需要區別實驗的難易程度，還需要細化實驗的目標和要求。

作為基礎課程，數字電路的課程設計通常安排在試驗儀上搭建硬件和驗證功能，有意識地降低了設計的難度。目前可供學生使用的實驗資源包括各類芯片、數字電路試驗儀、仿真軟件、示波器、萬用表、信號源、電路板的焊接工具等，而且試驗儀的集成化程度有逐年升高的趨勢。若在此基礎上完成課程設計，雖然提高了設計的成功率，但是犧牲了培養學生動手能力的機會。

實物作品可以系統地鍛煉學生的電路設計能力，擺脫其眼高手低的現實局面。據統計，計算機與信息工程學院數字電路的課程設計期間，只有29%的學生能夠將在試驗儀上成功運行的電路搬到萬用板上實現，可見其實物制作的水平有待大幅度地提高，但每個電路實驗均要求實物制作并不現實，也不必要，所以對于基礎實驗可以安排學生在試驗儀上完成，橋梁輔助實驗可以通過仿真驗證，課程設計則要求完成實物制作，這樣便可以兼顧學習效率和實踐目的。

3 加強仿真軟件的應用

數字電路理想的設計通常是簡潔的硬件和完整的功能。硬件的簡單設計不僅能夠簡化制作的難度，更是系統穩定性和設計成本的要求，所以當學生用15塊功能芯片設計一個10位數字密碼鎖時，應該提醒他嘗試采用仿真軟件重新部署原理圖，簡化實驗電路。

目前基于數字電路的仿真軟件包括Proteus軟件、Multisim軟件、ADS軟件等，這類軟件使用時易上手，仿真元件庫中資源豐富。無論是基礎實驗、橋梁實驗還是課程設計項目，首先應該借助此類平臺搭建仿真電路，部署自己的元器件，驗證設計原理。很多擁有電子設計經歷的學生喜歡跳過仿真步驟，憑借經驗直接焊接電路，其成功率往往較低又容易挫敗設計的積極性。事實上，無論是從測試模塊能否正常工作、驗證系統是否正常運行方面，還是從電路能否繼續簡化或系統功能是否可以擴展方面考慮，仿真實驗都比硬件平臺實驗更高效、更經濟。

4

設計項目任務書

在課程設計的驗收過程中，還暴露出電路設計的另一些問題，如簡易鍵盤不能保存鍵值，24s倒計時器總是循環啟動，交通燈中黃燈不閃爍；出租車計價器計時但不能計費，波形發生器采用高度集成函數發生器設計等，此類問題均應該采用設計任務書的形式來解決。endprint

數字電路的課程設計任務書必須根據學生的知識水平和課程的理論進度編寫。任務書中首先需要提出完整的設計功能，以便學生進行項目的需求分析；其次添加與設計相關的知識點，既能提示學生設計的思路，也能防止其對高度集成芯片和網絡資源的過度依賴；最后應該明確設計制作要求，避免模棱兩可的設計結果。以簡易病床呼叫器為例，筆者列出參考設計任務書，見表1。

通過后續課程設計的開展，設計任務書的形式和內容還將不斷更新，以適應學生的設計層次和知識水平。此外，發布任務書的過程也肩負著平衡課程設計難度的技術性要求，通過加、減系統功能，統一設計難度，降低選題的一邊倒趨勢。

5 積累芯片資料，建設模塊資源庫

為了逐步提高電路設計的成功率，有序提升設計的難度，在基礎實驗階段，需要引導學生準備好一些常用的模塊，儲備自己的電路設計資源庫，如常見的數碼管顯示電路、普通編/譯碼電路、555脈沖發生電路、加減計數器電路、A/D和D/A轉換電路等。不僅如此，設計中還要注意不同芯片的選取和功能的區別，如在設計三角波發生器時，可參考的計數芯片不必是普通的74LS161芯片，而應該是具有加減計數功能的74LS191芯片，這樣能夠在不偏離考察目標的前提下大大簡化硬件的設計。同樣，由555構成的脈沖發生電路能夠應用于交通燈、24s倒計時器等多種時序電路中，此模塊只需設計一次就能滿足通用的要求。

6 結語

目前，計算機與信息工程學院進行的數字電路課程設計只進行了一輪，能夠推進和優化的課改措施已經有了初步的方案，這就意味著在數字電路課程改革的推進過程中，一定會有新的問題和新的解決方案不斷涌現出來，唯有如此才能有效地推動學生實踐能力的增長，實現課程改革的最終目標。

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（見習編輯：劉麗麗；編輯：宋文婷）endprint