疫情防控背景下線上理論教學與虛擬仿真實驗教學相結合的研究—以《數字邏輯電路》課程為例

馮志斌，江華麗

（1.閩南科技學院，福建 泉州 362332；2.廈門理工學院 光電與通信工程學院，福建 廈門 361024）

0 引 言

高校教學方式的探索與改革是教育領域值得關注的話題，融合互聯網技術開展教學方式改革是一種新模式，是提升教學質量的重要手段。慕課教育最早于2008年在加拿大開始出現，隨后美國斯坦福大學發布關于人工智能導論的免費慕課，吸引了全世界的關注。至2012年，世界各地的高校紛紛加入慕課教育的探索和實踐中。中國高校于2012年開始加入對慕課教育的探索和實踐，近十年來得到了快速的發展，涌現出學習通、中國大學、智慧樹等公共在線平臺；部分高校還自主或聯合研發在線平臺，如清華大學的“學堂在線”和阿里與北大聯合打造的“華文慕課”平臺等。受新型冠狀病毒肺炎疫情的影響，教師們通過學習通、中國大學、智慧樹等平臺對學生進行線上教學，這是慕課教育探索成果的一次展示。慕課教育有利于優質教育資源的整合與分享，促進教育公平化發展。

如何運用互聯網技術更好地引導學生完成理論教學和實驗教學，如何將理論教學和實驗教學結合，如何采取混合式教學是每一位教師都應該思考的問題。本文以《數字邏輯電路》為例，該課程是我校計算機和電子信息工程等工科專業的必修課，其課程任務是使學生掌握數字電子技術的基本理論和基本知識、數字邏輯電路的分析和設計方法。該課程內容具有前沿性和時代性。

1 線上理論課程教學

《數字邏輯電路》課程著重講述了半導體器件、TTL和CMOS邏輯芯片、組合邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路、數模和模數轉換等內容，課程共計48學時，其中包含24學時的實驗。本課程理論部分采用學習通平臺，建設《數字邏輯電路》課程資源，包含各章節視頻學習、課程作業、課程資料、課程考試、課程小測等部分，教師可進行課堂測試，系統會自動對測試評分，發布作業，學習通平臺數據分析全面，有利于教師全面掌握學生的學習情況。課程錄制可采取PPT錄頻錄制方法，較為方便，可以錄制屏幕圖像和聲音，教師可以出鏡。作業講解可采用手機直接錄視頻的方法，效果較好，邊寫邊講，把握重難點，力求短小精悍，每個小視頻控制在20 min以內，學生學起來不會煩躁。課程結合“問題式”教學法，以問題為教學主線，通過討論學習與講解測試，幫助學生理解學習內容，構建系統的知識體系，增強分析和解決問題的能力。該課程考核作業情況占10%，課堂互動占10%，課程音視頻占10%，章節測驗占20%，討論占10%，期末考試占40%。圖1為各課程章節設置，將每個章節知識細化并錄制短視頻，針對學生提出的問題錄制答疑視頻和作業解答。課后布置一定的作業，要求學生手寫拍照上傳，避免學生利用電子文檔相互拷貝，老師會及時批改并進行答疑，尤其對錯誤較多的題目進行重點講解，學生能夠主動與老師交流，整體教學效果不錯。

2 虛擬仿真實驗教學

通過實驗輔助教學讓學生更好地理解理論知識是一種常用的教學方法。傳統實驗通過實驗箱搭建電路，學生因對硬件不熟悉，常因漏接甚至錯接電路造成芯片燒毀，導致實驗耗材損耗多，實驗設備維護費用增高；受實驗室場地和實驗課時限制，學生往往只注重實驗結果，忽略對實驗過程的思考；實驗室芯片種類有限，不能實時更新，特別是疫情防控期間，需要避免人員聚集，限制了創新性實驗的開設。虛擬仿真實驗平臺可以很好地解決這些實驗教學問題。本課程實驗采用Proteus軟件作為虛擬仿真實驗教學平臺，該軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的一款EDA工具軟件，不僅可用于模擬/數字電路仿真，還支持單片機及其外圍電路的協同仿真。學生在電腦上安裝好軟件后便可以靈活搭建電路，課后自由設計創新性實驗，充分發揮主觀能動性和創造性。表1為數字邏輯電路虛擬仿真實驗內容，分為基礎性實驗、設計性實驗和綜合性實驗，其中基礎性實驗和設計性實驗必須完成，綜合性實驗則選擇性完成；同時，鼓勵學生充分發揮創新意識，自主設計功能并實現。學生按要求完成實驗內容后撰寫實驗報告，提交電子文檔即可。

表1 數字電路虛擬仿真實驗內容

3 實驗案例分析

設計一個自動游戲投幣控制電路。實驗要求：每次只能投一個1元或2個一元的硬幣，投滿4元后游戲啟動，若有余錢也同時找回。

設計思路：該設計為時序邏輯電路的設計。時序電路的設計是根據設計需求，滿足輸入和輸出變量的時序問題。首先要進行邏輯抽象，化簡的重點是要消去多余的狀態。然后選取觸發器類型，根據實際應用選擇觸發器，每種觸發器的特性和適用范圍不同，選擇最適合的觸發器進行設計。觸發器選擇完以后，計算驅動信號方程。最后按照確定好的驅動信號、輸出信號進行邏輯圖的繪制，注意要檢查電路是否能夠自啟動，如果電路陷入無效循環，則必須重新修改邏輯圖。從狀態轉化圖中進行重新修改設計，使電路能夠重新回到有效循環，或者通過卡諾圖設計，把無效狀態拉回到有效循環的其中一種有效狀態。

（1）搭建電路：首先進行狀態分析，在自動游戲投幣控制電路中對兩個不同的輸入信號進行狀態賦值：投入1元用=1表示；投入2元用=1表示。游戲開始用=1表示；找回零錢1元用=1表示；用表示已有0元（原始狀態）；表示已有1元；表示已有2元；表示已有3元。具體狀態轉換如圖2所示。其中，當=1且=1時為約束項，表示兩種硬幣不能同時投下。

圖1 課程章節設置

圖2 狀態轉換

（2）確定表達式：根據圖2所示的狀態轉換情況進行分析，列出系統的狀態方程和輸出方程，如式（1）、式（2）所示：

（3）選擇觸發器類型：根據式（1）、式（2），選用JK觸發器并求出電路的狀態方程和驅動方程，如下所示：

（4）根據驅動信號方程連接電路進行虛擬仿真，如圖3所示。點擊運行，按要求操作便可從LED指示燈上觀察到實現效果；也可以從Proteus軟件中自帶的邏輯分析儀中觀看輸出波形，如圖4所示，邏輯分析儀可以非常清晰地顯示每一時刻輸入信號和輸出信號的邏輯狀態，將輸入和輸出數據記錄表格，完成實驗報告。

圖3 仿真原理

圖4 示波器輸出波形（CLK、A、B、Q1、Q0、Y、X）

4 結 語

傳統的線下課堂教學以教師講解為主，可以與學生積極地互動；但受課時限制，知識很難深入探討，學生處于被動狀態，一時很難消化知識難點，課后需要花費大量時間鞏固。線上課程教學打破了時間和空間的限制，學生可以錯峰登錄學習平臺，通過反復觀看教學視頻來理解知識；還可以下載豐富的學習材料。教師可以通過學習通、微信、QQ等軟件對學生進行線上答疑。線上課程可以幫助學生以解決問題為主線，改善學習效果，讓學生處于主動學習狀態，真正實現“以學生為主體，教師為主導”的教學理念。虛擬仿真實驗平臺培養學生獨立自主動手能力，能夠將知識運用于實際應用中，解決工程項目實際問題，有效地提高學生的科學研究和系統設計的能力。事實證明，采用線上理論教學和虛擬仿真教學是有效的。如何更好地運用互聯網信息技術進行混合式教學、豐富教學內容、提高教學品質、打造一流的金課是教師的使命和責任，這次疫情讓大家停下腳步進行教學反思。“停課不停學”在線教學面臨諸多的挑戰，也迎來了難得的機遇。