利用Simulink仿真技術實現高職院校數字電子技術課程“教學做”一體化的探討

方健 羅熙

[摘? ? ? ? ? ?要]? 以高職院校電類專業數字電子技術課程中組合邏輯電路的競爭與冒險現象的教學過程為例，探討如何利用Simulink仿真技術將“教”“學”“做”三個教學環節融為一體，使學生參與這三個教學環節不受教學空間的限制，并探討利用Simulink仿真技術評價教學效果的方法。

[關? ? 鍵? ?詞]? 仿真技術;數字電子技術;邏輯電路

[中圖分類號]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2018）35-0132-02

數字電子技術作為高職院校電類專業的一門專業基礎課，所涉及的知識面廣，并對學生的理解和掌握程度有較高的要求。然而，目前高職院校電子技術的教學工作普遍存在重理論而輕應用、重講解而輕實踐的弊端。高職院校的學生往往存在理論分析能力較弱、動手能力強的學習特點，傳統的教學模式往往會使學生對各種門電路、常見芯片的認識僅停留在課本[1]。本文以數字電子技術中組合邏輯電路競爭與冒險現象的教學過程為背景，探討利用simulink仿真軟件實現數字電子技術教學過程“教學做”一體化模式的方法。

一、傳統教學模式的不足

目前，高職院校電子技術的課堂教學往往以理論教學為主，需要在教室完成;而實踐教學往往以硬件實現為主，需要在實驗室中完成，從教學空間上難以實現“教、學、做”一體化。實驗部分的教學內容，往往對學生將所學知識綜合應用的能力要求較高。學生通過傳統教學模式，往往能夠理解所用邏輯元器件的工作原理，學會常見芯片的接法，在一定程度上提高動手能力，對知識技能的掌握并無較大的促進。

數字電子技術課程中，組合邏輯電路的競爭冒險現象以及其消除方法，是課堂教學中的一個難點，在理解概念的同時，考查學生邏輯電路的分析和修改能力，這種能力的培養一直以來是傳統教學模式難以突破的一個問題。教學過程中，理論課著重講電路的工作原理，雖然允許學生用筆、紙設計邏輯電路，但運行結果并不直觀;實驗課告知學生需要仿真的實驗電路，學生只需根據電路在實驗箱或面包板上搭建電路、實現邏輯函數，通過發光二極管或示波器等驗證結果，實驗電路固定、實驗方法固定，不能由學生設計或修改。

因此，競爭冒險現象的觀察、消除冒險現象后電路的輸出、修改邏輯電路設計的實施過程，學生可參與修改和完善的實踐環節較少，無法體現“教、學、做”一體化中“做”的內涵。“做”是需要學生在實踐中不斷探索，修改電路設計，完善邏輯電路的功能，最終解決電路中存在冒險現象這一問題。應當有一種允許學生靈活設計且允許學生犯錯誤的教學載體，學生對競爭冒險現象的理解、冒險現象消除方法的掌握程度，就在這一次次的修改完善中得到提升。

二、利用simulink仿真技術解決電子技術中的教學問題

（一）豐富“教學做”一體化的載體

組合邏輯電路的競爭與冒險現象以及其消除方法，是組合邏輯電路教學內容中的一個難點。本文以一個存在冒險現象的邏輯函數表達式為例：

Y=AB+BC

這是一個存在“0”型冒險的邏輯電路，冒險現象產生的原因，是由于電路中“非”門的延遲。通過靜態教學媒介很難直觀地說明這一問題，難點在于“非”門的延遲作用不能直觀體現在運算結果當中。

為了直觀的顯示出上面表達式所示邏輯電路的冒險現象，教師可利用Simulik中的Logic and Bit Operations庫和Math Opera-tions庫，其中有大量的邏輯模塊可供調上賣弄用，包含常見的各種邏輯門電路，輸出波形可采用scope模塊觀察[2]。下圖所示為利用Simulik中的邏輯模塊，根據上面的邏輯函數表達式搭建的仿真電路。為了體現出實際電路中非門的延遲特性，教師可在非門前串聯一延遲環節，進行這項操作時，可再次使學生強化這樣的認識：非門導致信號延遲，是產生競爭現象的原因。

存在“0”型冒險的仿真電路圖

Simulink中庫函數的靈活調用，極大的豐富了“教、學、做”一體化模式中的信息化教學載體，學生可以簡單地拖拽邏輯模塊，根據教師所“教”的邏輯電路連線，搭建出一個可以隨時觀察輸出結果的仿真電路[3]。學生搭建出的仿真電路也可作為學生“學”的載體，學生可調節本案例中非門的延遲時間，觀察得到冒險現象產生相同的時間，強化對冒險現象產生原因的認識。學生還可以修改電路的組成，利用自己設計的方式搭建新的邏輯電路，探討消除冒險現象的方法，在示波器中即可觀察到電路輸出結果是否與預期一致，做到“做中學、學中做”，體現職業院校的教學特色。

（二）提高“教”“學”“做”三者的融合程度

組合邏輯電路中冒險現象的消除方法是教學過程中的一個難點[4]。其中最難理解的是增加冗余項的方法，具體的實施過程本文不進行詳述。增加冗余項后，上面式子的邏輯函數表達式變為：

Y=AB+BC+AC

教師在推導出此邏輯函數表達式后，借助常規教學媒介無法直觀地驗證此式是否能夠消除冒險現象，只能用抽象的方式予以描述。然而，對于分析和計算能力較弱的高職院校學生，以抽象的方式講解冒險現象消除這一抽象的結果，是最容易導致學生畏難情緒的教學方法，simulink仿真技術可協助教師突破這一教學難題[5]。

為了避免增加冗余項方法引入的過于生硬，教師可通過講授引導學生思考：卡諾圈相切將導致兩個加法項分別存在同一邏輯變量的原變量和反變量，進而引出如何消除卡諾圈相切現象的問題。學生可自行探討消除卡諾圈相切現象的方法，且不能改變原電路的正確輸出結果，這些探究過程都可以在simulink仿真平臺上予以驗證，使“做中學、學中做”的教學模式貫穿在學生探究這一問題的過程當中。

根據學生對存在冒險現象電路的探究，組織討論或利用信息化教學平臺收集學生的探究結果，有的放矢的引入增加卡諾圈消除卡諾圈相切現象的方法，學生通過教師的介紹，可以完成冗余項的求解。由于simulink中邏輯電路的修改非常簡便，教師可鼓勵學生求解出冗余項。相比傳統的解題式的教學方法，這里多了一個可以輕松驗證學生求解結果的仿真平臺，能夠一定程度地提高學習的趣味性、激發學生求解問題的動力。這也體現出“教”與“學”的融合。

學生驗證自己求解的冗余項的正確性。如果學生正確求解出圖中存在冒險現象的邏輯電路的冗余項，學生即可搭建出邏輯電路，運行結果將告知學生，無論如何調節非門的延遲時間，輸出信號都不再出現“0”型冒險;如果學生求解冗余項的結果錯誤，輸出信號也會出現各種錯誤，學生排查錯誤，求解新的結果的過程，也是其提高冗余項消除冒險的方法熟練程度的過程。這一步也充分體現出“做中學、學中做”的先進職業教育理念。

（三）豐富教學效果評價的方式

傳統教學模式中，教學效果評價往往以解答紙質試卷或在線答題的方式完成。對于高職院校的學生而言，他們中的大多數學生都經歷了高考的失利，相比于本科生，高職院校的學生更加畏懼甚至抵觸這種以考試評價學生學習效果的評價方式[6]。在Simulink仿真軟件中，學生設計的仿真電路可以保存為.slx類型的文件，借助信息化教學平臺，即可及時上傳給教師。這種提交文件的方式給學生的感覺更像是提交自己的作品，避免了考試形式的效果評價。教師通過學生提交的slx文件，也可直觀判斷出學生對本節知識的掌握情況，以下幾種判斷標準可供教師參考。

（1）完全掌握是指學生提交的slx文件中，能夠設計出正確的邏輯電路，并能得到正確的運行結果;（2）對冒險現象產生原因的認識不清，多數學生會出現提交的文件中遺漏非門前延遲環節的現象，這是為了模擬實際非門電路工作時間的一個假想的模塊，丟掉了它就意味著學生并沒有進行相應的探究;（3）未掌握求解冗余項的方法，這類學生提交的文件往往不能得到正確的運行結果，但修改前的邏輯電路正確作出，說明對冒險現象的產生認識到位;（4）抄襲等學習態度問題，常會出現學生提交的文件夾中slx文件未修改其他同學的文件名，或做出的電路連線和元件的位置完全一致。

三、小結

數字電子技術是高職院校電類專業的一門至關重要的專業基礎課，如若教學效果不理想，不僅會影響學生對后續專業課的學習情況，更會導致學生學習的主動性下降，進而養成不良的學習習慣、厭學甚至抵觸自己所學的專業。利用simulink仿真技術，不僅可以提高課堂的趣味性、學生的參與度，更能極大程度地融合教學過程中“教”“學”“做”三個重要環節，沒有教學空間的限制，更避免了實驗教學與理論教學相脫節的弊端。學生僅需一臺電腦，就可在教師指導下靈活的參與“教”“學”“做”三個教學環節，也為教師提供了一種不同于考試的效果評價方式。

參考文獻：

[1]楊春玲，朱敏，張巖.數字電子技術基礎研究性教學方法的探索與實踐[J].中國大學教學，2014（2）：58-60，74.

[2]謝暉.Matlab在數字電子技術教學中的應用[J].貴州師范學院學報，2012（12）：77-81.

[3]范向宇.如何突破《數字電子技術》一體化教學的瓶頸[C].中國職協2013年度優秀科研成果獲獎論文集（上冊）//天津：中國職工教育和職業培訓協會秘書處，2013.

[4]劉亞麗，方健，李怡.組合邏輯電路設計中引入實例教學的探討[J].信息與電腦（理論版），2017（16）：227-228.

[5]方健，劉亞麗.計算機仿真技術在數字電子技術教學中的應用探討[J].通訊世界，2017（23）：362.

[6]萬毅.《數字電子技術》實踐教學評價體系和評價方法的研究[J].實驗科學與技術，2013（5）.