虛擬仿真技術(shù)在數(shù)電教學(xué)中的應(yīng)用

馬騰達(dá)

[摘 要] 對傳統(tǒng)數(shù)電教學(xué)的基本特點(diǎn)進(jìn)行分析，基于虛擬仿真技術(shù)，使用EDA工具軟件Proteus，開發(fā)了一套用于功能演示的數(shù)字化教學(xué)資源，并基于虛擬仿真技術(shù)對課程內(nèi)容進(jìn)行綜合化應(yīng)用的教學(xué)活動(dòng)探索。這些教學(xué)實(shí)踐取得了良好的效果，為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力打下了基礎(chǔ)，符合教育部提出的“金課”課程改革方向。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)字電子技術(shù);虛擬仿真;綜合應(yīng)用;Proteus

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）41-0245-03? ? [收稿日期] 2019-11-06

數(shù)字電子技術(shù)是電類相關(guān)專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程[1]，主要任務(wù)是使學(xué)生掌握數(shù)字電子技術(shù)的基本概念和基本理論，掌握常用的組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路的基本邏輯功能及使用方法，為數(shù)字電路的分析和設(shè)計(jì)提供必要的基礎(chǔ)理論知識，培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理能力、綜合分析能力和理論聯(lián)系實(shí)際能力，以及正確運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行簡單數(shù)字系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。

數(shù)字電子技術(shù)在專業(yè)中的地位十分重要，它不僅為后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)打好理論基礎(chǔ)，也為學(xué)生畢業(yè)后從事相關(guān)工作提供基礎(chǔ)知識。通過該課程的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、解決問題的能力以及工程應(yīng)用的能力，為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力打下基礎(chǔ)。

一、傳統(tǒng)數(shù)電教學(xué)中的基本特點(diǎn)分析

在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，主要以板書、PPT講解為主，穿插動(dòng)畫或視頻資源。對于數(shù)電課程而言，其具有較強(qiáng)抽象性，單純憑借板書或PPT學(xué)生較難深入理解。而動(dòng)畫或視頻只能演示某一固定的內(nèi)容，例如對于譯碼器，如果隨機(jī)給出任意輸入，演示其對應(yīng)的輸出，依靠視頻或動(dòng)畫這種固定性的資源，就顯得有些無能為力了。

在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，以講授大綱和教材中要求的知識內(nèi)容為主，而將多個(gè)知識內(nèi)容綜合到一起進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的內(nèi)容較少。例如，在講解常用組合邏輯電路時(shí)，一般是單獨(dú)講解如編碼器的原理及應(yīng)用、譯碼器的原理及應(yīng)用等，而在講解常用時(shí)序邏輯電路時(shí)，一般是單獨(dú)講解寄存器的原理及應(yīng)用、計(jì)數(shù)器的原理及應(yīng)用等，而較少將這些電路如譯碼器、寄存器、計(jì)數(shù)器等組合到一起進(jìn)行分析和講解。

基于以上兩個(gè)特點(diǎn)，導(dǎo)致的結(jié)果就學(xué)生的綜合應(yīng)用能力較弱，解決復(fù)雜工程問題的能力基礎(chǔ)薄弱。典型的情況就是單獨(dú)考查某一電路如譯碼器，大部分學(xué)生都能正確回答，當(dāng)面對需要涉及兩種及以上電路才能解決的問題時(shí)，大部分學(xué)生難以正確回答。

為了解決這些問題，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐和科研經(jīng)歷，并結(jié)合教育部對本科教學(xué)的新要求，為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，將虛擬仿真技術(shù)引入了教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中，取得了良好的效果。

二、基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)

數(shù)字電子技術(shù)是抽象程度較高的課程，僅憑公式推導(dǎo)和課堂講解，較難取得良好的教學(xué)效果。基于虛擬仿真技術(shù)，使用EDA（Electronic Design Automatic，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)）工具軟件Proteus，開發(fā)了一套用于功能演示的數(shù)字化教學(xué)資源。

將現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度結(jié)合，基于虛擬仿真技術(shù)，將課程中的電路進(jìn)行仿真和演示，以可視化的信息作用于學(xué)生，將數(shù)字電子技術(shù)的一些基本概念和邏輯器件的功能進(jìn)行直觀演示，使學(xué)生能夠快速和深入地理解相關(guān)理論知識。將Proteus仿真軟件與傳統(tǒng)的理論教學(xué)方式相結(jié)合有助于提高學(xué)生數(shù)電知識的學(xué)習(xí)能力和應(yīng)用能力[2]，同時(shí)，還能夠?qū)DA技術(shù)融入數(shù)字電子技術(shù)課程的整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)[3-5]。

如圖1所示，基于虛擬仿真技術(shù)，通過如開關(guān)、發(fā)光二極管、數(shù)碼管、邏輯標(biāo)簽等直觀的方式，將輸入和輸出的高低電平的變化可視化展現(xiàn)出來，既能實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的功能演示，又能實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路工作過程的演示，適合于課堂教學(xué)演示。

開發(fā)的數(shù)字化教學(xué)資源中，包括了教材中的經(jīng)典例題以及常用組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路等，詳細(xì)內(nèi)容表1所示。

這種基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字化教學(xué)資源應(yīng)用于教學(xué)中，符合教育部“金課”的“創(chuàng)新性”要求，即前沿性和時(shí)代性，其教學(xué)形式體現(xiàn)先進(jìn)性和互動(dòng)性，學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個(gè)性化[6]。課堂教學(xué)實(shí)踐也表明，學(xué)生對知識內(nèi)容的掌握更加深入，為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三、基于虛擬仿真技術(shù)的課程知識綜合化應(yīng)用

將課程各章節(jié)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合到一起，讓學(xué)生設(shè)計(jì)或分析需要多個(gè)功能電路、多個(gè)芯片器件復(fù)合到一起的電路，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，便于在課堂上開展課程知識內(nèi)容的綜合化應(yīng)用教學(xué)活動(dòng)。

以組合邏輯電路中的七段數(shù)碼顯示譯碼芯片和時(shí)序邏輯電路中的串行移位寄存器芯片結(jié)合到一起為例，闡述如何將課程知識內(nèi)容進(jìn)行綜合應(yīng)用。

在講解譯碼器的內(nèi)容時(shí)，為學(xué)生講解七段數(shù)碼顯示譯碼芯片功能時(shí)，對該芯片的輸入、輸出、功能做了全面介紹;在講解寄存器時(shí)，為學(xué)生講解串行移位寄存器時(shí)，對該芯片的輸入、輸出、功能做了全面介紹。對學(xué)生提出思考題：某一系統(tǒng)中，單片機(jī)僅有2個(gè)空余引腳用于顯示系統(tǒng)，控制2個(gè)七段共陰極數(shù)碼管顯示數(shù)字，如何綜合運(yùn)用所學(xué)知識實(shí)現(xiàn)該功能？

大部分學(xué)生能夠想到需要使用2個(gè)七段數(shù)碼顯示譯碼芯片控制數(shù)碼管，但這樣至少需要提供8個(gè)引腳進(jìn)行控制，而系統(tǒng)中只有2個(gè)空余引腳可供使用。引導(dǎo)學(xué)生思考，使用串行移位寄存器，來將串行數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)，解決該問題。采用虛擬仿真技術(shù)，在Proteus軟件中，將所需要使用的芯片布局出來。如圖2所示，圖中芯片為課堂中單獨(dú)講解過的74系列芯片74x194，四位雙向移位寄存器，七段數(shù)碼顯示譯碼芯片CD4511，以及七段共陰極數(shù)碼管。

進(jìn)而讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識，將兩個(gè)4位的串行移位寄存器連接成一個(gè)8位的串行移位寄存器，并對各個(gè)控制引腳施以正確的控制電平。設(shè)計(jì)完成的電路如圖3所示。

繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考，如果希望數(shù)碼管顯示27，如圖4所示，那么，該控制單片機(jī)的2個(gè)引腳應(yīng)該輸出什么樣的電平？或者給出單片機(jī)的引腳電平變化，讓學(xué)生判斷最終數(shù)碼管會如何顯示。

以上以一個(gè)簡單的顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，說明了如何引導(dǎo)學(xué)生對知識進(jìn)行綜合運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生解決綜合問題的能力。本例對于具有電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或參加了一些實(shí)踐類競賽的學(xué)生而言并不困難，也不能稱之為復(fù)雜工程問題，但對于剛剛學(xué)完移位寄存器的同學(xué)而言，卻可以稱之為復(fù)雜工程問題，從這些簡單的綜合性應(yīng)用中，不斷為培養(yǎng)學(xué)生解決真正的、跨學(xué)科的、跨專業(yè)的復(fù)雜工程問題的能力打下知識基礎(chǔ)和能力基礎(chǔ)。

對多個(gè)功能電路、多個(gè)芯片器件復(fù)合到一起的具有一定復(fù)雜性的電路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的能力，培養(yǎng)學(xué)生將課程知識內(nèi)容的綜合化應(yīng)用能力，符合“金課”中“高階性”的要求，即知識能力素質(zhì)有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維[6]。在后續(xù)課程中，學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用到實(shí)際電路中時(shí)，使得課程不再停留在課本，而是深入到了實(shí)踐，課程具有一定的“挑戰(zhàn)度”，符合“金課”的要求，即課程有一定難度，需要跳一跳才能夠得著，對老師備課和學(xué)生課下學(xué)習(xí)有較高要求[6]。

四、結(jié)語

基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字化教學(xué)資源，在教學(xué)實(shí)踐中取得了良好效果，能夠直觀演示電路功能，學(xué)生對知識的理解更為深入。結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，將課程知識內(nèi)容進(jìn)行綜合化應(yīng)用的教學(xué)活動(dòng)探索，使學(xué)生不僅掌握了一個(gè)個(gè)知識點(diǎn)，而且能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。將虛擬仿真技術(shù)引入到數(shù)電課堂中，能夠?yàn)榕囵B(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力打下基礎(chǔ)，符合教育部提出的“金課”課程改革方向。

參考文獻(xiàn)

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