基于Proteus的“數字電路”實驗課程智慧教學探索

摘要：以“數字電路”實驗教學方法探索為主題，文章結合生活場景對“數字電路”實驗內容進行了優化與重構，深化學生對“數字電路”原理的理解與掌握，以提高學生的實踐能力。文章以智力競賽搶答器實驗項目為例，結合現代仿真軟件Proteus，通過層次進階式的教學模式，引導學生在實驗中發現問題、分析問題并解決問題。所提方案有效提升了學生的動手能力、創新思維及團隊協作能力，突破了時間和實驗室空間的限制。

關鍵詞：Proteus；“數字電路”實驗；智慧教學

中圖分類號：G718中圖分類號" 文獻標志碼：文獻標志碼A

基金項目：校級教育教學課題；項目名稱：新工科背景下賦能《數字電路》新課堂混合式教學的探索；項目編號：23JYYB06。

作者簡介：候倍倍（1992— ），女，講師，碩士；研究方向：數據通信技術，深度學習。

0" 引言

“數字電路”是通信電子類專業的主要課程之一，其內容比較抽象，邏輯性較強，且涉及大量的集成電路模塊，具有較強的專業性。因此，學習“數字電路”不僅要掌握一定的理論知識，還要能夠利用相關電路模塊進行“數字電路”實驗，幫助學生理解數字電路各個模塊的工作原理，具備靈活運用“數字電路”模塊設計的能力［1］。在傳統的“數字電路”實驗中，學生須要使用相關的“數字電路”硬件模塊進行搭線連接并輸入相關參數，觀察數據的輸入輸出及處理結果等。然而使用實際的硬件模塊進行數字電路實驗，教師須要時常檢驗硬件電路模塊的損耗情況，學生在做實驗時既要進行大量的煩瑣連線并反復調試，又要考慮電路電氣等不利因素的干擾，實驗的產生結果會出現一定的不確定性［2］，從而打擊學生學習的熱情，讓學生對數字電路相關模塊的工作原理掌握產生影響。鑒于此，針對“數字電路”實驗課程所需硬件模塊復雜、空間環境有限及維護成本高等特點，課題組成員將Proteus虛擬仿真軟件引入實驗教學［3］。

1" Proteus仿真軟件介紹

Proteus是一款功能強大的電子設計自動化軟件套件，被廣泛應用于電子產品的開發和設計過程。該軟件具有豐富的元件庫，包含電阻、電容、晶體管、集成電路等多種電子元件，而且這些元件都有詳細的模型，通過模擬其真實行為，使得用戶能夠進行精確的仿真。另外，其還具有強大的仿真引擎，能夠模擬電路的性能，用戶可以查看電壓、電流、信號波形等參數，以便進行調試和優化其用戶界面。Proteus原理圖仿真界面如圖1所示。

Proteus虛擬軟件強大的功能較好地解決實驗教學的空間和硬件設備限制，學生只須要利用一臺計算機安裝Proteus虛擬仿真軟件，就可以不受空間限制地完成“數字電路”實驗。通過這種虛擬仿真的實驗教學方式，極大地提高了學生的實驗正確效率和學習熱情，同時也提升了學生的實踐能力和創新能力。

2" “數字電路”實驗教學改革思路

數字電路被廣泛應用于各種電子設備和系統中，如手機、智能家居設備等，是電子信息類、計算機類等專業的學生走進硬件領域的入門課程。而“數字電路”實驗教學是培養硬件領域應用型技術人才的一個重要環節，可以很好地鍛煉學生的實踐和創新思維能力。因此，“數字電路”實驗教學應該在服務于理論教學的基礎上，堅持以學生為中心，以能力導向為基礎，從實驗項目內容、教學模式、教學方法等方面進行改革研究［4-6］，提高實驗內容的多樣性、自主性和趣味性。把“教師做，學生模仿”這種機械式的學習轉變為“教師引導，學生創作實現”的模式，不斷培養學生的數字系統實踐能力和創新思維能力。

2.1" 實驗項目內容優化和重構，增強實驗的實用性

“數字電路”實驗內容應結合日常生活場景，體現出知識點的關聯性、技能目標的遞進性以及應用場景的多樣性。本文綜合考慮學生的差異性，布置實驗任務有易有難，將實驗內容分成基礎部分和擴展部分，根據學生的具體情況做到因材施教。比如，在完成“觸發器構實現位移寄存器”的基礎上，對于展現出較強能力的學生，可挑戰“流水燈電路設計”的進階任務，以此作為實踐能力深化的契機，確保學生能夠平穩過渡到更高層次的學習，避免初期遇到的障礙引發挫敗感或恐懼心理。另外，教師通過設定適當難度的項目，緊扣教學目標，能夠有效激發學生的內在動力，培養他們面對挑戰時的積極態度與克服困難的毅力。教師通過由淺入深、多樣化的實驗體系，幫助學生營造積極的心理氛圍，提高學生學以致用的能力和創新思維水平。部分實驗內容優化如表1所示。

2.2" 以賽促學法——促進學生“學以致用，知行合一”的教育理念

實驗教學的核心目標在于有效應用所學的課程知識與技術。課題組成員致力于將各類電子設計競賽、智能汽車大賽以及大學生實踐創新項目等競賽或實踐項目融入實驗教學，旨在通過項目驅動的教學方式，將傳統的課堂實驗教學與課外的實踐探索緊密結合。以賽促學體系如圖2所示。這一模式不僅為專題化和案例化教學提供了穩固的基石，還能夠顯著提升學生的實踐創新能力和綜合素質。通過引入相關的案例講解，課題組成員鼓勵學生參與全國電子設計大賽等實踐活動，提升他們的參與度，在實際操作中深化對知識點的理解。

3" 基于Proteus的4路智力競賽搶答器實驗教學案例設計

3.1" 線上學習通平臺進行前測，調整實驗功能的多樣性和深度

利用學習通平臺，教師課前錄制或選擇相關的實驗視頻，包括實驗原理、操作步驟、注意事項等，供學生在課前觀看。幫助學生深入理解實驗背景和理論知識，讓學生了解并明確實驗中“要做什么”“如何做”“為什么這么做”，教師提前在學習通發布實驗內容基礎測試，了解學生的理論知識掌握程度。

例如：如果讓你設計一款搶答器，你希望它具備哪些功能，這些功能需要哪些數電模塊實現？優先編碼器74LS148功能和作用？

教師把實驗分為基礎性實驗和擴展性實驗：基礎性實驗為學生的必做實驗，比如搶答器模塊實現基本的搶答功能；擴展性實驗供學習能力強的學生選做，在實現搶答功能的基礎上實現倒計時功能等。教師通過設置2個實驗，解決學生學習程度的差異化問題。

3.2" 智力競賽搶答器案例導入，激發學生學習熱情

案例導入環節主要是為了吸引學生的注意力，提高學生的學習熱情。教師先給學生展示智力競賽搶答器的設計效果：該智力搶答器可以為4位選手或團隊提供搶答功能，能夠實現搶答、計數以及鎖存這3個大方向的功能；假設有4名選手，編號為1號、2號、3號、4號，分別對應一個搶答按鈕；另外，主持人會控制一個控制按鈕，用來表示搶答的開始和系統重置；當主持人按下開始按鍵后，4位選手進行搶答；假設3號選手最先搶答，則3號選手編號將進行鎖存，并在對應搶答模塊的數碼管上顯示數字3，同時倒計時停止。4路智力競賽搶答器案例演示效果如圖3所示。

3.3" 智力競賽搶答器模塊化分析，讓學生明確需要掌握的知識和技能

學習熱情只是一種短暫的情緒狀態，應依靠明確的課堂目標來持續激發學生的探索欲。教學目標不僅扮演著維系學生求知動力的角色，還具備指導教學流程與評估學習成效的雙重導向功能。如4路搶答器設計目標如下：鞏固已學過的譯碼器和數碼管的功能和工作原理；通過分組完成4路搶答器的設計，對實際問題進行邏輯分析與設計，熟練進行邏輯狀態分配和化簡；通過分組參與討論，理解數字電路各部分模塊和總體系統的聯系，掌握數字電路系統的設計方法。智力競賽搶答器的整體框架如圖4所示。

3.3.1" 輸入模塊以及74LS148與74LS279模塊設計

由實驗要求可知，競賽搶答器采取點觸發式按鈕，可以采用74LS148優先編碼器進行編碼作為輸入信號，用來顯示選手1—4的編號；再利用RS鎖存器模塊保存選手觸發按鈕的信號。74LS148的編碼輸入將作為74LS279的輸出。該模塊設計電路如圖5所示。

3.3.2" 搶答倒計時模塊設計

74LS190是一個4位同步可逆計數器芯片，通過將輸入端置為0110，隨著一個CP信號的到來，實現9—0的減法功能。功能端E端實現暫停計數功能，即選手按下搶答按鈕，則停止計數。PL端可以實現裁判端的復位功能，即實現預置數功能。其倒計數模塊如圖6所示。

3.3.3" 選手互鎖功能和計數器暫停設計

學生分析74LS48、74LS148和74LS190的功能和真值表可知：當74LS148的EI端為1時，電路將停止工作，則所有輸出封鎖在高電平；當74LS190的E端為1時，74LS190停止工作，即達到暫停效果。因此，學生可用一個邏輯與門接入74LS279的4S端作為一個低電平信號，將其通過鎖存器產生的高電平信號接入74LS148的EI端和74LS190的E端，從而實現互鎖和暫停功能。其對應的鎖存器電路設計如圖7所示。

3.4" 參與式學習+翻轉課堂，激發學生自主探究和思考能力

參與式學習環節的學習主體是學生，教師起引導和輔助作用。學生通過小組討論、互動實驗、角色扮演等教學活動積極參與學習過程，教師提供及時的反饋和指導。當進行搶答器實驗時，將每3位學生組成一個團隊，每個團隊針對搶答器實現的功能模塊進行討論和交流，教師進行適時的引導，鼓勵學生自己動手，親身體驗實驗過程，加深對理論知識的理解。教師隨機選擇一名學生答辯，其他同學和教師給予反饋和建議。當實驗課程結束時，學生不僅要提交實驗報告，還要以組為單位進行答辯，學生匯報對相關知識的理解、實驗的實現過程、實驗的心得體會，并演示最終的設計效果。教師針對學生的匯報，提出建議。通過展示和反饋，學生可以及時發現自己的不足并學習他人的優點。電路設計和問題解決過程都是加深學生對理論知識的內化，可以較好地提升學生的思考能力和解決實際問題的能力。

3.5" 實驗后測，學生溫故而知新

實驗后測可用于評估學生的學習成果，通過比較前測和后測的結果。教師可以了解哪些教學目標已經實現，哪些還需要進一步鞏固和提高。在課后，教師通過學習通平臺布置作業，讓學生鞏固學習知識，并圍繞搶答器功能和應用，引導學生進行科研文獻研究來優化設計和調試過程。利用學習通平臺進行線上交流與答疑，促使學生溫故而知新。

4" 結語

本文通過Proteus仿真軟件，不斷探索和改進數字電路實驗教學模式。以智能競賽搶答器為例，本文證明了該教學模式有效增強了學生的實踐操作能力并激發學生的創新思維。實驗項目貼近生活情景，實驗內容具有多樣性，并且難度由淺入深，較好地激發了學生的學習動力。在實驗教學中，教師采用參與式學習和翻轉課堂模式，通過師生互動和生生互動，較好地鍛煉了學生的實踐能力和創新熱情，培養了學生的團隊合作能力；在實驗軟件的使用上，學生借助Proteus使用電腦隨時隨地學習，突破了時間和實驗室硬件環境的限制。今后，課題組將繼續探索實驗教學方法和新技術，不斷改善教學方法，提高高等教育的教學質量。

參考文獻

［1］宋陽，賈惠芹，劉昕，等.基于工程能力的數字電路實驗教學設計與實踐［J］.電子技術，2024（3）：363-365.

［2］王偉征，潘顯民.數字電路實驗教學改革的探索與實踐［J］.計算機教育，2024（6）：162-166.

［3］葉夢君，焦冰，葉天鳳.基于Proteus的項目驅動模塊化教學模式的探索與實踐［J］.湖北師范大學學報（自然科學版），2023（1）：96-101.

［4］于秋爽，鄭棣.BOPPPS模式下數字電路實驗教學的探討［J］.軟件導刊，2021（11）：249-252.

［5］張慧熙，姚茂群，安康，等.探究性數字電路綜合實驗教學設計與實踐［J］.實驗室科學，2024（2）：138-143，148.

［6］陳曦，于金鵬.基于OBE-CDIO理念的“數字電子技術”實驗教學設計［J］.電氣電子教學學報，2023（1）：200-203.

（編輯" 沈" 強）

Exploration of smart teaching in “Digital Circuit” experiment course based on Proteus

HOU" Beibei

（Jiangxi University of Technology， Nanchang 330098， China）

Abstract： Focusing on exploring teaching methods for “Digital Circuit” experiments， the research team optimize and reconstruct the content of “Digital Circuit” experiments by integrating the real-life scenarios， which deepens students’ understanding and mastery of “Digital Circuit” principles， and enhances their practical abilities. Taking the intelligence competition buzzer experimental project as an example， this paper guides students to discover， analyze， and solve problems in the experiment through a progressive teaching model combined with modern simulation software Proteus. The proposed scheme effectively improve the students’ hands-on ability， innovative thinking， and teamwork ability， breaking free from the constraints of time and laboratory space.

Key words： Proteus; “Digital Circuit” experiment; smart teaching