基于面包板的“數字電路”實驗教學內容設計

蔣鐵珍 許耀華 黎軒

摘?要：“數字電路”實驗是高校電子類專業必修且非常重要的課程，針對該課程普遍采用工具箱完成實驗存在的問題，提出采用面包板來完成所有實驗，學生需要在面包板上進行整體布局設計，再完成每一個實驗電路并進行電路正確性的驗證。利用面包板完成數字電路實驗更加靈活，學生發揮的空間更大，能夠很好地提高學生實驗的積極性。由于采用面包板進行數字電路實驗，學生需要完成更多的電路搭建，通過對實驗內容的合理設計，學生能夠綜合考慮多個實驗之間的關系，節約時間且能夠加深學生對各知識點之間聯系的理解。經過兩年實驗課程的驗證，收到了不錯的效果，學生既掌握了理論知識，又能高效地完成實驗。

關鍵詞：電子專業；數字電路；面包板；實驗內容

中圖分類號：G642??文獻標識碼：A

高校電子電路類專業是一門知識與技能相結合的專業，在熟悉理論知識的基礎上，強調實踐操作技能，要求該專業學生應有一定的獨立操作實踐能力。學校每年招收電子電路類學生近千人，實驗課開設困難重重，如何能利用實驗課，提高學生的學習興趣，加強實踐與理論聯系，提高動手實踐操作技能，對學生畢業后的就業具有重要意義［1］?。

“數字電路”實驗是電子電路類專業的專業實驗核心課，本項目以“數字電路與邏輯設計實驗”課程為例，探索基于面包板的課程實驗內容設計方法，培養具有系統化理論知識、具有創新精神和實踐能力的高素質本科電子電路人才。

1?“數字電路”實驗課程普遍現象

1.1?實驗課程普遍存在問題

高校由于經費問題，各類電子電路實驗室普遍存在設備陳舊、時間場地受限、課程管理繁雜、實驗教學效果不良等現實情況，導致學生實驗存在很多不可預知的問題，難以保證優質的實驗教學效率。一般傳統實驗教學過程中實驗課程時間較短，學生人數較多，教師難以指導到每個學生，學生簡單完成規定的內容就可以，同時由于課程學分較少，學生不夠重視，導致學生不能在實驗操作中培養很好的實踐操作能力。教師也很難通過實驗過程及實驗報告及時了解學生存在的問題，難以獲取實驗課程教學存在的問題，從而用于課程的后續改進［2］?。同時目前專業實驗課程的教學形式單一，實驗內容簡單枯燥，學生依畫瓢葫蘆完成即可，理論課程主要以課堂講授知識為主，理論課程教師沒有動手操作技能，實驗課教師和理論課教師完全脫節，對實驗課程起不到理論指導作用［3］?。

1.2?“數字電路”實驗工具箱存在問題

目前大部分高校針對“數字電路”實驗課程普遍采用設計好的工具箱進行實驗，該試驗箱操作比較方便，學生搭電路也比較容易。部分高校由于實驗室安排不開問題，采用便攜式實驗包。此便攜式實驗包在沒有穩壓源的情況下，利用充電寶即可完成數電實驗，大大減輕了高校實驗室的安排困難問題［4］?。這兩種試驗箱，雖然學生完成實驗比較方便，但完成實驗就像搭積木一樣，對很多輸入輸出、電源等外圍電路完全不清楚，僅依葫蘆畫瓢完成數電實驗，知其然不知其所以然。同時試驗箱是每一屆學生都會延續使用，使用時間長，學生使用操作不規范，導致試驗箱存在很多問題，當試驗箱出現問題時，由于學生不清楚試驗箱的工作原理，完全沒有辦法去解決，因此該類試驗箱不利于學生在實驗過程中去查找問題。

1.3 “數字電路”實驗內容存在問題

目前大部分高校“數字電路”實驗在試驗箱上利用集成中小規模的邏輯芯片，完成對應理論課程的內容［5］?。“數字電路”實驗內容比較散，互相之間沒有關系，尤其是具體電路實現時采用不同集成芯片完成，學生在實驗時，完成一個實驗需要把前一個實驗的所有電路全部拔光，下一個實驗必須全部重新開始，浪費教師和學生時間，而且學生完成所有實驗后可能還不知道各實驗之間的關系，不能進一步鞏固理論課程所學知識。

2?基于面包板的實驗教學設計

本項目針對“數字電路”實驗課程目前存在的問題，提出利用面包板來完成所有實驗［6］?。

圖1是采用面包板實現的半加器，從圖1中可以看到，面包板除縱向5孔是連通的，其余的都是不通的，這樣的面包板學生無須擔心由于不清楚試驗箱的內部結構導致發生故障無法檢測問題，學生可以任意按照自己的意愿去搭建符合要求的電路，給了學生最大的自由發揮空間，當然這也對學生的實驗能力提出了更高的要求，學生必須在理解的基礎上完成所有實驗［7］?。

由于試驗箱實驗時已經提供了各種電源、時鐘電路、輸入和輸出接口或顯示，學生實驗時只需要連接中間數字芯片就可完成實驗，很多學生不了解其他電路及相關知識。利用面包板實驗時，學生需要自己去實現電源及時鐘電路，同時對于數字電路非常重要的輸入和輸出接口也需要學生自己去完成。這樣學生通過完成這些電路，熟悉了數字芯片電路之外的相關電路，尤其了解了數字電路的0、1兩個狀態如何通過電路來實現。

圖1是在面包板上完成的1位半加器，通過完成半加器的完成，可以熟悉面包板、邏輯狀態及輸入輸出的控制。搭建電路時，學生首先需要根據面包板的大小進行布局，分配電路2個輸入2個輸出端口的位置，再結合具體電路分配半加器針對和、進位輸出對應的電路。圖4是半加器在狀態為“01”“10”下的輸出現象，可以看到指示燈亮，代表狀態為“1”。在了解輸入輸出接口的情況下，規劃好面包板各部分使用，可以完成固定的4輸入4輸出的電路，為以后的所有實驗服務。由于面包板是在完全空白的板上搭建電路，每個學生的思路都不一樣，不僅可以避免部分學生借用其他同學電路交差的現象，而且可以采用多種考核方式激發學生各種創新的積極性。

3?“數字電路”實驗課程內容設計及實施效果

3.1?“數字電路”實驗課程內容設計

目前數電實驗課程需要完成5個獨立的組合邏輯電路和7個獨立的時序邏輯電路，實驗內容多而雜，且所有的電路沒有相同可以共用的內容，搭建電路浪費時間［8］?。基于這個問題，本項目在通過搭建了半加器的基礎上，完成固定結構的輸入輸入接口。利用已完成的輸入輸出接口，設計幾個將組合邏輯電路和時序邏輯電路結合的綜合實驗內容，綜合實驗包含“數字電路”實驗課程需要的所有內容，完成部分小實驗無須拆除重新搭建，在此基礎上，繼續完成下一個實驗，最后完成一個相對較復雜的綜合實驗電路。圖2為“數字電路”實驗課程內容安排，從圖中可以看出，將時序邏輯電路中的移存型和計數型計數器內容設計完成后，所產生的信號作為其余各實驗內容的輸入控制信號，將組合時序電路部分有機結合，同時通過該方法可以實現所有實驗電路的自動檢測，無須人工手動撥動開關產生輸入高低電平的控制［9］?。

圖3用Multisim軟件仿真實現了一位傳統全加器，在實驗過程中，通過圖中左上角所示的A、B、CI所示的三個開關實現輸入變量的控制［10］?，這三個開關通過人工控制，需要完成8個狀態的切換，不僅實驗教師檢查電路手動撥開關麻煩，而且驗證結果的正確性速度也很慢。按照圖5中所示內容安排，首先完成74LS161計數器的計數功能，如圖4中74LS161器件所示，再將74LS161器件中的QA、QB、QC輸出作為A、B、CI對應控制信號，按照相同的時鐘周期順序輸出000、001、010…111等8個狀態，全加器的輸出將會自動通過二極管的亮滅顯示，這樣可以同時完成2個實驗內容。

圖4用Multisim軟件仿真實現了0011同步序列檢測器，同樣可以采用計數器74LS161某一輸出端口QA/QB/QC產生需要檢測的序列信號，如QA依次連續產生01010101…，QB依次產生00110011…，QC依次產生0000111100001111…，通過切換三個輸出口，可以檢測輸入多種序列信號情形，而序列檢測采用其中一實驗內容觸發器去實現，將課程的三個實驗內容結合在一起，采用同步的時鐘信號，對于時序電路的檢測現象會有很大的幫助。

以上實驗內容初步設計將組合電路和時序電路有機結合，解決傳統實驗內容多而雜的現象。另外可以考慮將所有實驗內容分為2～3個綜合大的項目，每一個綜合項目包含多個實驗內容，這樣能夠綜合理解所有實驗內容，為具體工程項目服務。

3.2?實施效果

上述“數字電路”實驗課程的實驗內容目前已針對兩屆學生實施，根據學生的反應和上課效果，可以看到，基于面包板的數電實驗學生完成各項實驗有了更大的靈活性。同時由于實驗內容的調整，學生實驗時，不再像以前由于時間緊張，實驗時匆匆忙忙搭建實驗電路，完全沒有時間去思考電路中出現的問題，導致最后的實驗完全沒有效果，現在學生實驗時有了更大的積極性，有問題去咨詢教師，去探索電路的更多可能性，實驗完成后，學生收獲滿滿。

結語

本項目提出利用面包板完成“數字電路與邏輯設計”的實驗，并結合面包板的具體特點，設計了數電實驗的實驗內容。通過Multisim軟件進行了仿真驗證，可以基于面包板的實驗內容設計，加深對實驗基本知識點的理解，培養學生實驗的學習興趣，提高學生的實踐動手能力。

參考文獻：

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基金項目：安徽省高等學校教學研究項目“基于虛實結合的混合式實驗教學方法研究——以《數字電路與邏輯設計實驗》課程為例”（2021jyxm0092）

作者簡介：蔣鐵珍（1977—?），女，漢族，江蘇南通人，博士，高工，碩士生導師，研究方向：電路與信號處理研究。