應(yīng)用型本科院校數(shù)字邏輯電路課程教學(xué)的改革與實踐

郭燕 孔令榮 竇如鳳 王昊 周莉莉

[摘 要] 本文通過教學(xué)案例研究了如何利用Multisim仿真軟件進行數(shù)字邏輯電路課程教學(xué)的改革。實踐表明，該教學(xué)方法效果顯著，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐素養(yǎng)，有效地解決了CDIO教育背景下要求課堂教學(xué)與工程實現(xiàn)無縫對接的問題。

[關(guān)鍵詞] 應(yīng)用型;數(shù)字邏輯電路;課程教學(xué)

[基金項目] 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院教育教學(xué)改革研究課題（YJG2019B28）

[作者簡介] 郭 燕（1986—），女，江蘇泰州人，碩士研究生，講師，研究方向為數(shù)字信號處理。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）26-0184-02? ? [收稿日期] 2020-01-02

一、傳統(tǒng)教學(xué)存在的主要問題

應(yīng)用型本科院校學(xué)生的培養(yǎng)，既不同于研究型高校，又不同于高職高專類院校，其培養(yǎng)應(yīng)堅持理論教學(xué)與實踐教學(xué)并重，努力培養(yǎng)實踐能力強、能解決實際應(yīng)用問題的高素質(zhì)人才。數(shù)字邏輯電路是應(yīng)用性、實踐性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課，應(yīng)用型本科高校在目前的教學(xué)過程中，受制于傳統(tǒng)觀念的束縛，很多教師重理論，輕實踐，理論教學(xué)與實踐教學(xué)完全分開，不能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生對抽象的知識點理解得不夠深入，不能及時有效地將課堂上學(xué)到的理論知識學(xué)以致用。另外，教學(xué)方式過于單一。目前，絕大多數(shù)應(yīng)用型本科高校依舊采用教師通過課堂講授為主，以PPT和板書為輔的模式，教師在課堂上單純地灌輸理論知識，學(xué)生被動地學(xué)習(xí)，缺乏積極性，沒有求知欲，不具備解決工程問題的實踐能力。

二、Multisim軟件簡介

Multisim軟件是美國國家儀器（NI）有限公司推出的一款電路設(shè)計仿真工具，自1980年代產(chǎn)生以來，經(jīng)過數(shù)個版本的升級，不僅操作界面直觀，簡單易學(xué)，電路仿真功能也逐步得到完善。該軟件包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，自帶豐富的元件庫，提供充足的虛擬儀表。因此，Multisim軟件為數(shù)字邏輯電路仿真提供了豐富的元器件模型和虛擬儀器儀表，具有強大的電路分析功能，是非常理想的課堂教學(xué)輔助工具。

三、Multisim在數(shù)字邏輯課堂教學(xué)中的應(yīng)用

（一）Multisim在數(shù)字邏輯基本概念理解中的作用

在數(shù)字邏輯電路的課堂教學(xué)中，對于一些概念和基本原理的講解，無法與一定的實踐過程相聯(lián)系，學(xué)生學(xué)習(xí)這部分知識感覺比較抽象，難以透徹理解。若將Multisim軟件輔助教學(xué)則可以起到很好的效果。例如，在組合邏輯電路的設(shè)計過程中，無論是電路圖、真值表還是邏輯函數(shù)表達式，這三種表現(xiàn)形式之間是可以相互轉(zhuǎn)換的。而傳統(tǒng)的教學(xué)過于死板，教師往往強調(diào)根據(jù)設(shè)計要求第一步列真值表，第二步由真值表寫出邏輯函數(shù)表達式，根據(jù)需要化簡，第三步由函數(shù)表達式畫出電路圖。這種方法費時費力而且容易出錯，比如在化簡過程中由于粗心造成化簡錯誤，則會直接導(dǎo)致電路圖設(shè)計錯誤。以設(shè)計三變量的一致電路為例進行分析，根據(jù)設(shè)計需求，借助Multisim軟件的Logic converter（邏輯轉(zhuǎn)換儀）可以將真值表轉(zhuǎn)化為邏輯函數(shù)表達式。

若點擊邏輯轉(zhuǎn)換儀右側(cè)的? ? ? ? 按鈕，

則會將左側(cè)的真值表轉(zhuǎn)換為函數(shù)表達式，結(jié)果自動出現(xiàn)在真值表的下面。若點擊右側(cè)的

按鈕，則會將函數(shù)表達式轉(zhuǎn)換為電路圖，如圖1所示。

若希望將電路圖轉(zhuǎn)換成真值表，則可以先畫出一致電路的電路圖，然后點擊邏輯轉(zhuǎn)換儀右側(cè)的

按鈕，則會自動生成真值表。

通過對此電路的運行仿真，學(xué)生對正負邏輯的來源、邏輯值0、1之間的關(guān)系、不同表現(xiàn)形式之間的轉(zhuǎn)換等概念和原理都會有更加直觀的了解和更為深刻的掌握。

（二）Multisim在集成芯片的功能演示中的作用

在數(shù)字邏輯電路課程中將會學(xué)習(xí)很多集成芯片，這些集成芯片各有其功能。傳統(tǒng)的教學(xué)方式只會一味地灌輸給學(xué)生這些芯片所具備的功能，并讓學(xué)生死記如何使用芯片的管腳實現(xiàn)其功能，學(xué)生知其然而不知其所以然，導(dǎo)致對知識點掌握不牢固，理解不透徹，更不會將所學(xué)芯片加以應(yīng)用，在實際的現(xiàn)場操作中很容易犯錯。比如，74160是模10的計數(shù)器，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)只會告知學(xué)生74160是模10的計數(shù)器，以及其芯片管腳應(yīng)該如何使用，學(xué)生并不能對其得到直觀的了解。若將Multisim引入課堂進行現(xiàn)場仿真，則可以有效解決這一難題。如圖2所示，將74160的使能端ENT、ENP接高電平VCC，置數(shù)端LOAD低電平有效，不需要置數(shù)則接高電平VCC，清零端CLR低電平有效，正常計數(shù)時不需要清零則接高電平VCC，這里CLR使用彈簧開關(guān)，若按下彈簧開關(guān)則CLR接地達到清零的目的。時鐘端CLK外接時鐘，正常工作則對時鐘進行計數(shù)。輸出端QA、QB、QC、QD接四個發(fā)光指示燈，同時也可以接一個數(shù)碼管，這樣顯示更一目了然。進位端RCO接指示燈，當計滿0—9則產(chǎn)生進位，指示燈亮。四個輸入端A、B、C、D只有在置數(shù)情況下使用，這里的置數(shù)端無效，所以輸入端可以不接。

通過Multisim軟件仿真，學(xué)生加深了芯片管腳使用的印象，比如要使芯片正常工作，使能端必須有效，如果使能端無效，即使其他管腳連接正確，芯片也不能正常工作，學(xué)生能夠深刻體會到使能端的重要性。通過該課堂教學(xué)方法，學(xué)生可以更好地掌握芯片的使用方法及注意事項，更好地培養(yǎng)實際應(yīng)用能力，對抽象的知識點有了感性的認識。

（三）Multisim在重點難點設(shè)計電路中的應(yīng)用

Multisim軟件除了可以幫助學(xué)生理解基本概念和原理，演示芯片功能之外，對于講解重點難點問題也具有至關(guān)重要的作用。在數(shù)字邏輯課程中，電路的設(shè)計是重點也是難點?，F(xiàn)以具備“時、分、秒”的時鐘電路為例，探討Multisim在數(shù)字電路設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用，該電路能以數(shù)字形式準確顯示時、分、秒的時間，具體要求為：1.由振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的標準秒脈沖信號，作為數(shù)字鐘的時間基礎(chǔ)。2.秒計數(shù)器計滿60后向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器計滿60后向小時計數(shù)器進位。3.小時計數(shù)器的計時要求為“12翻1”。4.該數(shù)字鐘具有校時電路的功能，即當數(shù)字鐘接通電源或者計時出現(xiàn)誤差時，通過校時電路可以校正時間。要求在小時校正時不影響分和秒的正常計數(shù)，在分校正時不影響秒和小時的正常計數(shù)。

數(shù)字鐘電路系統(tǒng)的工作原理為：由振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的標準秒脈沖信號，秒計數(shù)器計滿60后向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器計滿60后向小時計數(shù)器進位，小時計數(shù)器按照“12翻1”規(guī)律計數(shù)。計數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼器送顯示器。計時出現(xiàn)誤差時可以用校時電路進行校時和校分。根據(jù)設(shè)計要求，學(xué)生利用所學(xué)知識進行電路設(shè)計，并利用Multisim軟件進行仿真。

四、結(jié)論

應(yīng)用型本科院校對人才的培養(yǎng)更加突出培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力，而數(shù)字邏輯電路這門課程應(yīng)用性較強，教師在課堂教學(xué)中利用Multisim軟件進行仿真實驗教學(xué)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中操作更加靈活方便，對知識點更容易掌握，而且能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維，提高學(xué)生解決實際問題的能力，提高教學(xué)的質(zhì)量和效率。

參考文獻

[1]蔣立平.數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社（第三版），2019.

[2]王連英.Multisim 12電子線路設(shè)計與實驗[M].北京：高等教育出版社，2015.

Teaching Reform and Practice of the Course in Digital Logic Circuit in Applied Colleges and Universities

GUO Yan，KONG Ling-rong，DOU Ru-feng，WANG Hao，ZHOU Li-li

（School of Mobile Internet，Taizhou University of Science and Technology，Nanjing University of Technology，Taizhou，Jiangsu 225300，China）

Abstract：This paper studies how to use Multisim simulation software to reform the course in Digital Logic Circuit.The practice shows that the teaching method is effective，which helps to cultivate students' engineering practice literacy，and achieves the seamless connection between classroom teaching and engineering in the context of CDIO education.

Key words：applied type;Digital Logic Circuit;course teaching