數字邏輯電路課程教學軟件的設計

劉 釗， 鄧春健

(1. 中山職業技術學院， 廣東 中山 528400; 2. 電子科技大學 中山學院, 廣東 中山 528402)

數字邏輯電路課程教學軟件的設計

劉 釗1， 鄧春健2

(1. 中山職業技術學院， 廣東 中山 528400; 2. 電子科技大學 中山學院, 廣東 中山 528402)

在數字邏輯電路課堂教學中，現有仿真軟件常常存在展示效果不佳、非電路的教學內容不能模擬等缺點，為了彌補這些不足設計開發數字邏輯電路教學軟件。結合實例，對數字邏輯電路教學軟件的設計思路和方法做了歸納，包括針對非電路知識點軟件的設計，基本電路工作原理、工程案例等內容的模擬方法。自行開發教學軟件可以因應教學需要設計，具有較好的靈活性，對幫助學生理解和應用知識點，提升課堂教學效果具有積極意義。

仿真軟件； 理論教學； 軟件開發

0 引 言

數字邏輯電路課程是高等學校電子信息、計算機、自動化等專業的重要基礎課，課程具有內容多、知識點分散，理論性和實踐性強的特點。傳統教學模式下，教師對課程知識點往往只是進行原理性陳述，應用案例也生硬而空泛，再則教學手段落后，這些都是影響教學效果的重要原因。學生在學習完本門課程后往往收效不明顯，尤其是到了應用環節常常無從下手。對比重點大學學生，獨立學院、高職院校學生學習主動性不高，學習能力相對欠缺，課程的學習效果就更差。為了幫助學生學習課程，許多教師嘗試改革教學手段，例如在課堂教學中引入EDA仿真軟件，如Multisim，Proteus等[1-3]。雖然仿真軟件對學生學習電路原理有著較好的促進作用，但教學過程還是存在一些不足，例如仿真軟件界面的冗余信息較多，且由于投影效果常常影響學生對仿真效果的觀察，演示時的交互性并不很好；一些非電路的教學內容不能仿真模擬；另外，軟件一般都需要經過較復雜的安裝過程后才能運行案例，而這些仿真軟件操作也顯得復雜，并不適合剛學習課程的學生。

自行開發教學軟件可以因應學生和課程特點來設計符合教學需要的軟件，能夠較好的彌補仿真軟件的不足。開發了大量數字邏輯電路教學軟件，每個教學軟件對應一個知識點，課堂只需要通過鍵盤輸入、鼠標點擊即可觀察軟件運行結果。這種教學手段可以給學生提供一個直接形象的感知背景，使抽象化、理論化的知識變得具體化、感性化，有利于增強知識點的直觀性，激發學生的學習興趣和活躍課堂氣氛，加深學生對教學重點內容的理解和把握。

本文所開發教學軟件的設計思路為：電路或知識點的基本原理可以直觀的表現；融合一些基礎的工程案例來幫助學生掌握知識點的應用方法；簡單易用，便于安裝和分發，軟件可以在課堂上進行功能演示，在課后學生也能夠直接學習使用。

1 非電路知識點的軟件設計

數字邏輯電路課程中有許多知識點不直觀，也不便于表述，如果能將這些較為抽象的知識點用形象化的教學軟件表達出來，則能夠增進學生對這些知識點的掌握。針對這類知識點，設計教學軟件時可以借助生活中一些較為常見的例子來表達知識內容，并能夠融入到軟件中。例如在講述時序邏輯電路基礎中狀態表(見表1)和狀態圖(見圖1)的概念時，課程還沒有學習到時序邏輯電路的狀態轉換的例子，教師用語言來敘述不容易敘述好，學生對這樣的知識點很難一下理解深刻。狀態表是在一定的輸入條件下實現當前狀態到下一狀態的轉變，同時產生輸出的過程。這一過程就像電腦通關游戲，只要按照通關攻略就能夠一步步的過關[4-5]。

表1 狀態表

圖1 狀態圖

根據這一啟發，將狀態表和狀態圖的概念設計到一個卡通通關游戲中，如圖2所示。該游戲的“通關攻略”就在課本的狀態表和狀態圖的例子中[4]。如表1和圖1所示，卡通人物所處的位置即狀態，最初狀態在S0，當X輸入1時，卡通人物狀態就變成了S1。如果學生稍微研究一下“攻略”，X輸入正確，卡通人物就能夠到達最頂端，并且在Y處輸出“1”，如圖2(b)所示。對于這樣輕松活潑又有些小挑戰的教學軟件，學生常常表現出濃厚的興趣，狀態表和狀態圖的概念也就能夠較好的掌握。

(a)游戲初始化(b)游戲通關

圖2 游戲運行界面

2 電路基本功能的模擬

數字邏輯電路課程學習的一個重要內容是掌握各種常用集成電路的工作原理和正確使用方法。而課本上的數字邏輯電路是模型化的，往往缺乏真實感，學生只有通過實驗現象才能將模型化的知識具體化。好的教學軟件能夠極好的填補這種“真實感”，課堂上教師只要通過展示軟件，學生通過觀察實驗現象就可以達到理解和識記電路目的。

電路基本功能的模擬是用最簡單的電路連接來模擬軟件的基本功能，教學軟件只需要將擬模擬的電路基本原理清晰展示即可，但需要注意設計要聯系電路的實際運行原理和使用場景。例如，常常作為教材的計數器案例7493，是數字邏輯電路中最典型的MSI異步計數器，模擬計數器7493運行的教學軟件效果如圖3、4所示。在該教學軟件中，輸入輸出信號用文本輸入框的文本“0”“1”來表示；時鐘輸入用按鍵電路的圖片來模擬，為了使得鍵盤按下更逼真一些，在圖中鍵盤處準備按下和抬起狀態的兩張圖片。當鼠標左鍵按下時將鍵盤抬起的圖片切換成鍵盤按下的圖片；當鼠標左鍵釋放時將圖片重新切換成鍵盤抬起來的圖片，此時輸出才允許發生變化(7493在下降沿觸發)。學生最容易忽視的是其內部是由一個分立的二進制和八進制計數器構成的計數器。為了讓學生掌握7493構成十六進制計數器的原理，軟件提供了3種連接方法，可

圖3 八進制連接

圖4 十六進制連接

以通過點擊鼠標右鍵，通過彈出菜單來選擇。如圖3界面，選擇“按鍵連CPA”菜單時按鍵輸出信號連接在CPA上，7493只工作在二進制計數器模式下，當鍵盤按下時，只有QA發生變化；如果此時想使用八進制計數器，則點擊鼠標右鍵選擇菜單“按鍵連CPB”，如圖3所示，此時當鍵盤按下QD、QC、QB將發生變化；當點擊鼠標右鍵，選擇菜單“QA連CPB”，即構成了十六進制計數器，如圖4所示，此時當鍵盤按下,QD、QC、QB、QA都發生變化。

在課堂演示時可以通過提問方式并配合教學軟件引導學生學習7493的用法。例如要學生思考為什么鍵盤按下的時刻計數器沒有發生變化，而是鍵盤抬起來的時刻發生了變化；為什么R01、R02輸入都為“1”時無論鍵盤怎么按下，計數器都不工作；當按鍵信號連接在CPA時，為什么只有QA發生變化。同理按鍵信號連接在CPB時，為什么QA不發生變化；如果要構成十六進制計數器電路又該如何連接等。

3 工程案例的模擬

靈活應用所學知識的原理和方法，獲得分析問題和解決問題的能力是學習數字邏輯電路課程的目的。在學習集成電路時如果不學習其應用方法和背景，就像是孤立的、不在語境中記憶外文詞匯一樣，即使記住了單詞拼寫也不知道單詞該在哪些場合使用。學習集成電路就是要讓學生最終能夠學以致用，這就需要教師在課堂上能夠展開啟發，通過工程案例來幫助學生深入學習電路的應用方法。

針對某個集成電路，不僅結合課程中案例來設計教學軟件，還融入一些典型的工程案例來設計。例如，教材中講述74151以及計數器的應用時，引用的是“11100100序列產生器”的例子(見圖5)，74151教學軟件集成了74151的基本原理、“序列產生器”軟件中的LED燈接74151的輸出，用來顯示序列產生器的輸出[6]，如圖6所示。

圖5 11100100序列產生器

圖6 序列產生器輸出顯示

課本上“11100100序列產生器”的例子比較呆板，并不容易激發興趣，但把電路做一下改造，在74151的輸出端接蜂鳴器，這就是實現簡易音樂播放器的工程案例[5]。如圖7所示，在教學軟件上選擇連接接蜂鳴器，并在數據輸入端接入各音階對應的頻率信號，然后在數據選擇端A2A1A0選擇其中一路頻率輸出，則可通過驅動PC的蜂鳴器，通過數據選擇端A2A1A0選擇D0～D7的輸出順序，則可以播放出歌曲來，這個播放順序存放在樂譜輸入框“A2A1A0”中。通過該電路的啟發，學生很快能夠掌握74151的原理，并能夠設計出非常動聽的音樂播放器。

圖7 音樂播放器

4 結 語

將開發的軟件推薦給獨立學院、職業技術學院不同類型大學的相關教師使用，普遍反映教學效果良好，該教學軟件提升了學生對課程的理解和掌握程度，既提高了學生的學習效果，又提升了教師的教學手段。自行設計數字邏輯電路教學軟件，可以根據實際教學需要來設計和定制軟件，多年教學實踐證明對提高教學質量效果顯著。

[1] 王爾申, 龐 濤, 李 鵬, 等. Multisim和Proteus仿真在數字電路課程教學中的應用[J]. 實驗技術與管理, 2013(30): 79-81.

[2] 劉 勝， 楊 夏. 基于Proteus的數字電路虛擬實驗室建設[J].電氣電子教學學報, 2012 (34): 85-88.

[3] 張鈺玲， 甘昕艷. Proteus仿真在數字電子技術課程中的應用[J].桂林電子科技大學學報, 2008(28): 530-533.

[4] 閻 石. 數字電子技術基礎(5版)[M].北京：高等教育出版社,2006，5: 319-320.

[5] 周文輝， 鄧春健，黎 萍. 電氣信息類課程中課堂游戲的設計與實踐 [J].電氣電子教學學報, 2014(36):81-83.

[6] 鄧春健，李文生，石建國，等. “數字邏輯電路”教學改革與實驗平臺建設[J].計算機教育, 2009(24): 139-141.

Design of Digital Logic Circuit Educational Software

LIUZhao1,DENGChun-jian2

(1. Zhongshan Polytechnic, Zhongshan 528400, Gungdong, China; 2. Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528402, Gungdong, China)

Simulation software often exists the shortcomings such as the poor display effect, non-circuit teaching content being not simulated in digital logic circuit theory teaching. In order to make up these shortcomings, digital logic circuit teaching software is designed and developed. With examples in the paper, the teaching software for digital logic circuit design ideas and methods are summarized, including the design of non-circuit knowledge software, simulation method of basic working principle of the circuit and project case. Self developing teaching software can be designed for teaching needs with good flexibility, that has positive significance to help students to understand and master knowledge application, and to improve the effect of classroom teaching.

simulation software; theoretic teaching; software development

2016-03-03

全國教育信息技術研究“十二五”規劃2013 年度課題(136240994)；廣東省教育科研“十二五” 規劃2012 年度研究項目(2012JK004)；廣東省高校優秀青年創新人才培養計劃項目(Yq2013204)

劉釗(1985-)，男，碩士，講師，研究方向為計算機應用、嵌入式系統應用。Tel.: 13425511775; E-mail: 386722335@qq.com

鄧春健(1980-)，男，碩士生導師,博士，教授，研究方向為信息顯示技術、嵌入式系統應用。 E-mail: dcj5880870@126.com

TP 391.72

A

1006-7167(2017)01-0140-04