数字电路的实验教学改革与探索

方案对学生实践能力培养产生的积极影响。

关键词：数字电路；实践教学；改革

0 引言

数字电路的课程理论通常以基本逻辑电路、组合电路、时序电路、存储电路、时基电路、A/D和D/A转换电路为主线有序展开，其相应的课程实验也由易到难，分模块进行。在传统的数字电路实践课程中，主要实验项目包括集成逻辑电路的连接和驱动、组合逻辑电路的设计与测试、计数器及其应用、555时基电路及其应用、D/A、A/D转换器的应用等。依据上述5个基础项目，计算机与信息工程学院分别针对CMOS集成电路的驱动、TTL集成电路的驱动、数码管的显示、二三人表决器、两位数值比较器、八进制计数器、十进制加减计数器、单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器、A/D转换电路、D/A转换电路开展实验，形式均属于验证型，因此实践课程难度不大，收获也不显著。

为了改善学生课程实践的效果，提高其实践动手能力，计算机与信息丁程学院调整了数字电路实践课程模式，加入课程设计的环节，针对电子及相关专业的130名本科生发布了12个课程设计选题。题目公布后，学生选题大致情况如图1所示。

由图1不难看出，学生对逻辑性强、上手较快的设计题目兴趣较高，而综合型设计题目几乎无人问津。据进一步统计，学生选题后的完成情况同样不容乐观，130名选课学生及作品中，94名学生能够完成仿真电路设计；48个作品进行了实验仪上的系统调试，其中仅有14个作品完成实物制作且实现了基本功能。在12项课程设计选题中，完成质量较高的项目分别为病床呼叫器、16位广告灯、智能抢答器、24秒倒计时器；完成质量一般的包括交通灯、简易键盘、数字密码锁、简易电子琴、波形发生器；只能完成部分功能的项目是简易的出租车计费器、数字频率计和数字电压表。

随着课程改革的深入和课程设计的尝试，在突破了传统教学的单一模式之后，计算机与信息工程学院数字电路的课程实践仍遭遇了知难而退的尴尬局面。针对现状，笔者进一步探讨数字电路实验课改后几个能够明确改进的方向。

1 加强实验项目的题库建设

就实验项目而言，数字电路的实践课程尝试了9个基础实验和12项课程设计，但与实验项目多层次的特点相比，项目题库还是略显单薄。例如，在基础实验中，学生已经掌握了常用功能芯片（如数值比较器74LS85、计数器74LS192、NE555）的应用，甚至包括数码管的译码原理，但是当选中课程设计的题目（如模拟出租车计价器）时，学生仍然会力不从心，这就意味着从基本实验项目迈向课程设计，中间缺少桥梁。

数字电路的实验虽然分模块进行，但彼此关联，容易形成不同层次的项目。此外，数字电路情境项目的素材丰富，与实际问题联系紧密，如针对多谐振荡器、计数器、A/D转换实验，设计一个三角波发生电路用以结合三者，就能够自然地建立起模块之间的关联，强化学生的实验技能，而在此基础上完成波形发生器的课程设计，就使得课程设计变得直观、有趣和理所当然；又如在完成基本逻辑电路、555时基电路和计数器及数码管的显示等实验后，布置一个技巧性强的课程设计——数字频率计对学生来说跨度较大，那么在此前先引入一个1s脉冲计数器的设计，就能够引导学生理顺频率测量的思路了。因此，在实践环节中不断加入多层次的桥梁实验并按实验进度发布题目，将有助于学生很好地建立课程设计与基础实验之间的关联。

2 细化实验的目标和要求

数字电路课程的实践和其他课程一样由易到难，需要分层次进行。实验指导过程中除了需要区别实验的难易程度，还需要细化实验的目标和要求。

作为基础课程，数字电路的课程设计通常安排在试验仪上搭建硬件和验证功能，有意识地降低了设计的难度。目前可供学生使用的实验资源包括各类芯片、数字电路试验仪、仿真软件、示波器、万用表、信号源、电路板的焊接工具等，而且试验仪的集成化程度有逐年升高的趋势。若在此基础上完成课程设计，虽然提高了设计的成功率，但是牺牲了培养学生动手能力的机会。

实物作品可以系统地锻炼学生的电路设计能力，摆脱其眼高手低的现实局面。据统计，计算机与信息工程学院数字电路的课程设计期间，只有29%的学生能够将在试验仪上成功运行的电路搬到万用板上实现，可见其实物制作的水平有待大幅度地提高，但每个电路实验均要求实物制作并不现实，也不必要，所以对于基础实验可以安排学生在试验仪上完成，桥梁辅助实验可以通过仿真验证，课程设计则要求完成实物制作，这样便可以兼顾学习效率和实践目的。

3 加强仿真软件的应用

数字电路理想的设计通常是简洁的硬件和完整的功能。硬件的简单设计不仅能够简化制作的难度，更是系统稳定性和设计成本的要求，所以当学生用15块功能芯片设计一个10位数字密码锁时，应该提醒他尝试采用仿真软件重新部署原理图，简化实验电路。

目前基于数字电路的仿真软件包括Proteus软件、Multisim软件、ADS软件等，这类软件使用时易上手，仿真元件库中资源丰富。无论是基础实验、桥梁实验还是课程设计项目，首先应该借助此类平台搭建仿真电路，部署自己的元器件，验证设计原理。很多拥有电子设计经历的学生喜欢跳过仿真步骤，凭借经验直接焊接电路，其成功率往往较低又容易挫败设计的积极性。事实上，无论是从测试模块能否正常工作、验证系统是否正常运行方面，还是从电路能否继续简化或系统功能是否可以扩展方面考虑，仿真实验都比硬件平台实验更高效、更经济。

4

设计项目任务书

在课程设计的验收过程中，还暴露出电路设计的另一些问题，如简易键盘不能保存键值，24s倒计时器总是循环启动，交通灯中黄灯不闪烁；出租车计价器计时但不能计费，波形发生器采用高度集成函数发生器设计等，此类问题均应该采用设计任务书的形式来解决。

数字电路的课程设计任务书必须根据学生的知识水平和课程的理论进度编写。任务书中首先需要提出完整的设计功能，以便学生进行项目的需求分析；其次添加与设计相关的知识点，既能提示学生设计的思路，也能防止其对高度集成芯片和网络资源的过度依赖；最后应该明确设计制作要求，避免模棱两可的设计结果。以简易病床呼叫器为例，笔者列出参考设计任务书，见表1。

通过后续课程设计的开展，设计任务书的形式和内容还将不断更新，以适应学生的设计层次和知识水平。此外，发布任务书的过程也肩负着平衡课程设计难度的技术性要求，通过加、减系统功能，统一设计难度，降低选题的一边倒趋势。

5 积累芯片资料，建设模块资源库

为了逐步提高电路设计的成功率，有序提升设计的难度，在基础实验阶段，需要引导学生准备好一些常用的模块，储备自己的电路设计资源库，如常见的数码管显示电路、普通编/译码电路、555脉冲发生电路、加减计数器电路、A/D和D/A转换电路等。不仅如此，设计中还要注意不同芯片的选取和功能的区别，如在设计三角波发生器时，可参考的计数芯片不必是普通的74LS161芯片，而应该是具有加减计数功能的74LS191芯片，这样能够在不偏离考察目标的前提下大大简化硬件的设计。同样，由555构成的脉冲发生电路能够应用于交通灯、24s倒计时器等多种时序电路中，此模块只需设计一次就能满足通用的要求。

6 结语

目前，计算机与信息工程学院进行的数字电路课程设计只进行了一轮，能够推进和优化的课改措施已经有了初步的方案，这就意味着在数字电路课程改革的推进过程中，一定会有新的问题和新的解决方案不断涌现出来，唯有如此才能有效地推动学生实践能力的增长，实现课程改革的最终目标。

参考文献：

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（见习编辑：刘丽丽；编辑：宋文婷）