數字電路課程實踐教學效果

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摘要：常規的數字電路課程實驗教學多以驗證性實驗為主，學生的創新能力很難被激發。為培養學生解決實際問題的能力，增加課程設計實踐環節，設置以學生為主體的實踐項目。通過設計、仿真、實物制作、撰寫報告、答辯驗收等實踐環節，學生鞏固了課堂所學的理論知識，培養了探索創新能力。

關鍵詞：數字電路課程；課程設計；實踐環節；“學生中心”；能力培養

數字電路是電子信息類專業的學科基礎課，可以為單片機原理及應用和數字集成電路設計等后續課程的學習奠定基礎，在整個專業課程體系中占有重要地位[1]。該課程由理論教學和實驗教學兩部分組成。理論教學主要涉及組合邏輯電路、時序邏輯電路、脈沖單元電路三個知識點，實驗教學是理論教學的輔助。常規的數字電路實驗教學一般使用集成電路套件或實驗箱，學生按照實驗手冊搭建電路，完成數據測量并進行結果分析。此類實驗多屬于驗證性實驗，以驗證電路功能為目的，實驗項目單一，很難激發學生的學習興趣，難以進一步提升學生的設計能力和創新能力[1]。因此，通過增加綜合設計性實踐課程，即課程設計，搭建理論知識與實際工程設計之間的橋梁，這對于完善現有課程體系、調動學生的積極性、培養學生的自主學習能力、促進學生的創新能力和綜合能力提升具有十分重要的意義[2]。

1數字電路課程設計選題

數字電路課程設計的選題應將理論知識和系統設計融為一體，把數字電路的核心知識點最大限度地綜合在一起[3]。選題應具有一定的實用性、可擴展性、實現方案多樣性等特點，如數碼管循環顯示電路、多路數顯報警器、汽車尾燈控制電路、多路搶答器設計等，可以讓學生在課程設計實踐過程中充分發揮探索創新精神。以數碼管循環顯示電路為例。該設計要求實現數碼管循環顯示數字，同時點亮相應的彩燈。系統框圖如圖1所示。圖1系統框圖中的四個模塊最大限度地將數字電路的三個主要知識點：組合邏輯電路、時序邏輯電路和脈沖單元電路融合在一起。模塊1振蕩電路(屬于脈沖單元電路)可以輸出頻率可調的脈沖波；模塊2循環計數分頻電路(屬于時序邏輯電路)用于計數分頻且分頻值可調；模塊3譯碼顯示電路(屬于組合邏輯電路)驅動數碼管顯示相應數字；模塊4彩燈循環顯示電路實現LED燈循環點亮。圖2是參考電路原理圖。在圖2所示電路中，模塊1使用555定時器構成多諧振蕩器產生脈沖波，通過調整R1、R2、C2的參數值，獲得不同頻率的輸出波；模塊2使用四位二進制計數器(如74LS161)進行計數，實現五分頻；模塊3使用譯碼顯示驅動模塊(如74LS47)譯碼驅動共陽數碼管顯示數字；模塊4使用譯碼器(如3/8線譯碼器74LS138)驅動LED燈循環點亮。在實踐過程中，每個模塊都有多種不同的實現方案，學生可自主選擇，有能力的學生還可以進行電路功能的擴展。

2實踐教學方法和手段

數字電路課程設計要求學生完成方案論證及器件選取、電路仿真驗證、實物制作及調試、報告撰寫及測試答辯。因此，其采用的教學方法和手段不同于實驗課。教師在學生進行課程設計的前、中、后期，分別有針對性地安排三次指導。前期準備階段，主要講述電路設計的一般方法，明確設計的規范性、單元模塊間的接口方式與參數要求、仿真軟件的使用、元器件的選取原則，并對各單元模塊原理分析及實現方案進行必要的引導；課程設計中后期階段，教師的指導側重于強調實物制作及調試過程中的注意事項，如焊接的技巧，工作電壓、芯片引腳的連接及測試，電路工作的穩定性與可靠性等。在教師指導下，學生依據設計要求，自主選擇時間及設計方案，逐項完成設計內容。一是項目方案論證及器件選取。學生依據自己對課堂相關知識點的熟悉和理解，結合網絡資源，選取不同的設計方案實現各模塊功能。同時，學生通過查閱資料及手冊，熟悉常用電子器件及芯片的功能和使用方法，并根據自己的設計方案選擇合適的芯片和元器件。二是電路仿真驗證。學生使用EDA仿真軟件Multisim或Proteus等搭建設計好的電路，并利用軟件中的虛擬儀器對電路進行測量和仿真驗證。依據理論公式，反復調試電路參數或更換元器件，進一步完善電路設計方案，從理論上驗證設計方案的可行性[4]。三是硬件制作及調試。學生根據仿真電路列出硬件制作所需的元器件清單，學校統一購買后，學生自己動手進行電子線路布線、焊接及調試。學生通過使用直流電源、信號發生器、示波器、萬用表等電子儀器，熟悉儀器的使用及電子線路的測試方法，培養獨立排除故障的能力，提升工程實踐能力。四是報告撰寫及答辯。學生根據規范要求撰寫設計報告。設計報告的內容包括：設計的目的及任務、設計方案與論證、設計電路與功能說明、電路仿真及驗證、硬件制作及調試、設計總結及參考文獻。報告的撰寫能培養學生嚴謹的科學態度、踏實細致的工作作風。答辯環節，學生進行實物演示，陳述設計方案及設計過程，同時回答教師的提問。通過答辯，培養學生使用專業術語表達工程問題的能力。

3實踐教學效果及持續改進

數字電路課程設計最終要求學生用洞洞板或腐蝕電路板完成實物制作，且預留測試端子，用于答辯驗收。我校電子信息類專業大二學生在完成數字電路理論課學習后，進行數字電路課程設計，學生制作的硬件實物及測試結果如圖3、圖4所示。通過實測及答辯，可以看出每個學生所采用的設計方案、選擇的元器件、電路的布線布局、焊接的效果均有所不同，學生在實踐過程中各方面能力均得到了有效鍛煉和提升，同時避免了相互抄襲的現象。圖3硬件實物圖圖4實物測試效果圖學生按要求撰寫設計報告，并在報告的總結部分講述了自己整個項目的實踐過程及體會，分享了設計經驗、實物制作心得及成功后的喜悅，提升了自信心，這樣的教學方式充分體現了“學生中心、成果導向”的工程教育理念。隨著課程實踐教學的深入開展，教師不斷總結經驗，收集整理學生的反饋意見，并在此基礎上結合實際情況修改實踐題目的內容及要求，同時調整教學方式、進度安排、成績評定標準等，使得數字電路課程設計實踐環節的各方面安排更加恰當合理，切實實現“以實踐促教學，育有用人才”。

4結語

數字電路課程常規的實驗教學內容和方式比較單一，通過增加課程設計實踐環節，選擇合適的綜合設計性實踐題目，使學生親身經歷從自選方案設計電路，到實物制作答辯演示的整個設計過程。學生通過實踐操作，調動起學習的積極性，鞏固了課堂所學的理論知識，激發了對學習的熱愛和興趣，提高了文獻資料閱讀能力、分析解決問題能力、歸納總結能力及溝通協作能力，培養了自主學習和終身學習意識，綜合素質得到全面提升。

參考文獻

[1]羅霞,羅闊,李震.新工科背景下專業創新實踐大平臺研究與探索[J].中國教育技術裝備,2020,(19):126-130.

[2]張慶順,劉鑫.新工科背景下的數字電路課程設計創新與實踐[J].中國現代教育裝備,2020(6):64-65.

[3]梁麗.數字電子技術課程實踐教學的改革與實踐[J].中國現代教育裝備,2018(10):19-21.

[4]孫洪穎,李緯華,楊永.基于應用型創新人才培養的電子技術課程設計改革[J].電子世界,2018,(24):30-31.

作者：郭映 張祖鋒 單位：天津理工大學集成電路科學與工程學院 天津理工大學電氣工程與自動化學院