基于面包板的“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

蔣鐵珍 許耀華 黎軒

摘?要：“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)是高校電子類專業(yè)必修且非常重要的課程，針對(duì)該課程普遍采用工具箱完成實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題，提出采用面包板來(lái)完成所有實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要在面包板上進(jìn)行整體布局設(shè)計(jì)，再完成每一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路并進(jìn)行電路正確性的驗(yàn)證。利用面包板完成數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)更加靈活，學(xué)生發(fā)揮的空間更大，能夠很好地提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性。由于采用面包板進(jìn)行數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要完成更多的電路搭建，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的合理設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠綜合考慮多個(gè)實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，節(jié)約時(shí)間且能夠加深學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系的理解。經(jīng)過(guò)兩年實(shí)驗(yàn)課程的驗(yàn)證，收到了不錯(cuò)的效果，學(xué)生既掌握了理論知識(shí)，又能高效地完成實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：電子專業(yè)；數(shù)字電路；面包板；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

中圖分類號(hào)：G642??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

高校電子電路類專業(yè)是一門(mén)知識(shí)與技能相結(jié)合的專業(yè)，在熟悉理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐操作技能，要求該專業(yè)學(xué)生應(yīng)有一定的獨(dú)立操作實(shí)踐能力。學(xué)校每年招收電子電路類學(xué)生近千人，實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)困難重重，如何能利用實(shí)驗(yàn)課，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)實(shí)踐與理論聯(lián)系，提高動(dòng)手實(shí)踐操作技能，對(duì)學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)具有重要意義［1］?。

“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)是電子電路類專業(yè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)核心課，本項(xiàng)目以“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”課程為例，探索基于面包板的課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)具有系統(tǒng)化理論知識(shí)、具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)本科電子電路人才。

1?“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)課程普遍現(xiàn)象

1.1?實(shí)驗(yàn)課程普遍存在問(wèn)題

高校由于經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，各類電子電路實(shí)驗(yàn)室普遍存在設(shè)備陳舊、時(shí)間場(chǎng)地受限、課程管理繁雜、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不良等現(xiàn)實(shí)情況，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)存在很多不可預(yù)知的問(wèn)題，難以保證優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。一般傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間較短，學(xué)生人數(shù)較多，教師難以指導(dǎo)到每個(gè)學(xué)生，學(xué)生簡(jiǎn)單完成規(guī)定的內(nèi)容就可以，同時(shí)由于課程學(xué)分較少，學(xué)生不夠重視，導(dǎo)致學(xué)生不能在實(shí)驗(yàn)操作中培養(yǎng)很好的實(shí)踐操作能力。教師也很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)報(bào)告及時(shí)了解學(xué)生存在的問(wèn)題，難以獲取實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)存在的問(wèn)題，從而用于課程的后續(xù)改進(jìn)［2］?。同時(shí)目前專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)形式單一，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)單枯燥，學(xué)生依畫(huà)瓢葫蘆完成即可，理論課程主要以課堂講授知識(shí)為主，理論課程教師沒(méi)有動(dòng)手操作技能，實(shí)驗(yàn)課教師和理論課教師完全脫節(jié)，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程起不到理論指導(dǎo)作用［3］?。

1.2?“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)工具箱存在問(wèn)題

目前大部分高校針對(duì)“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)課程普遍采用設(shè)計(jì)好的工具箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該試驗(yàn)箱操作比較方便，學(xué)生搭電路也比較容易。部分高校由于實(shí)驗(yàn)室安排不開(kāi)問(wèn)題，采用便攜式實(shí)驗(yàn)包。此便攜式實(shí)驗(yàn)包在沒(méi)有穩(wěn)壓源的情況下，利用充電寶即可完成數(shù)電實(shí)驗(yàn)，大大減輕了高校實(shí)驗(yàn)室的安排困難問(wèn)題［4］?。這兩種試驗(yàn)箱，雖然學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)比較方便，但完成實(shí)驗(yàn)就像搭積木一樣，對(duì)很多輸入輸出、電源等外圍電路完全不清楚，僅依葫蘆畫(huà)瓢完成數(shù)電實(shí)驗(yàn)，知其然不知其所以然。同時(shí)試驗(yàn)箱是每一屆學(xué)生都會(huì)延續(xù)使用，使用時(shí)間長(zhǎng)，學(xué)生使用操作不規(guī)范，導(dǎo)致試驗(yàn)箱存在很多問(wèn)題，當(dāng)試驗(yàn)箱出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，由于學(xué)生不清楚試驗(yàn)箱的工作原理，完全沒(méi)有辦法去解決，因此該類試驗(yàn)箱不利于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中去查找問(wèn)題。

1.3 “數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容存在問(wèn)題

目前大部分高校“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)在試驗(yàn)箱上利用集成中小規(guī)模的邏輯芯片，完成對(duì)應(yīng)理論課程的內(nèi)容［5］?。“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較散，互相之間沒(méi)有關(guān)系，尤其是具體電路實(shí)現(xiàn)時(shí)采用不同集成芯片完成，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)，完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)需要把前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的所有電路全部拔光，下一個(gè)實(shí)驗(yàn)必須全部重新開(kāi)始，浪費(fèi)教師和學(xué)生時(shí)間，而且學(xué)生完成所有實(shí)驗(yàn)后可能還不知道各實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，不能進(jìn)一步鞏固理論課程所學(xué)知識(shí)。

2?基于面包板的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目針對(duì)“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)課程目前存在的問(wèn)題，提出利用面包板來(lái)完成所有實(shí)驗(yàn)［6］?。

圖1是采用面包板實(shí)現(xiàn)的半加器，從圖1中可以看到，面包板除縱向5孔是連通的，其余的都是不通的，這樣的面包板學(xué)生無(wú)須擔(dān)心由于不清楚試驗(yàn)箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致發(fā)生故障無(wú)法檢測(cè)問(wèn)題，學(xué)生可以任意按照自己的意愿去搭建符合要求的電路，給了學(xué)生最大的自由發(fā)揮空間，當(dāng)然這也對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ岢隽烁叩囊螅瑢W(xué)生必須在理解的基礎(chǔ)上完成所有實(shí)驗(yàn)［7］?。

由于試驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)時(shí)已經(jīng)提供了各種電源、時(shí)鐘電路、輸入和輸出接口或顯示，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)只需要連接中間數(shù)字芯片就可完成實(shí)驗(yàn)，很多學(xué)生不了解其他電路及相關(guān)知識(shí)。利用面包板實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生需要自己去實(shí)現(xiàn)電源及時(shí)鐘電路，同時(shí)對(duì)于數(shù)字電路非常重要的輸入和輸出接口也需要學(xué)生自己去完成。這樣學(xué)生通過(guò)完成這些電路，熟悉了數(shù)字芯片電路之外的相關(guān)電路，尤其了解了數(shù)字電路的0、1兩個(gè)狀態(tài)如何通過(guò)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1是在面包板上完成的1位半加器，通過(guò)完成半加器的完成，可以熟悉面包板、邏輯狀態(tài)及輸入輸出的控制。搭建電路時(shí)，學(xué)生首先需要根據(jù)面包板的大小進(jìn)行布局，分配電路2個(gè)輸入2個(gè)輸出端口的位置，再結(jié)合具體電路分配半加器針對(duì)和、進(jìn)位輸出對(duì)應(yīng)的電路。圖4是半加器在狀態(tài)為“01”“10”下的輸出現(xiàn)象，可以看到指示燈亮，代表狀態(tài)為“1”。在了解輸入輸出接口的情況下，規(guī)劃好面包板各部分使用，可以完成固定的4輸入4輸出的電路，為以后的所有實(shí)驗(yàn)服務(wù)。由于面包板是在完全空白的板上搭建電路，每個(gè)學(xué)生的思路都不一樣，不僅可以避免部分學(xué)生借用其他同學(xué)電路交差的現(xiàn)象，而且可以采用多種考核方式激發(fā)學(xué)生各種創(chuàng)新的積極性。

3?“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)及實(shí)施效果

3.1?“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

目前數(shù)電實(shí)驗(yàn)課程需要完成5個(gè)獨(dú)立的組合邏輯電路和7個(gè)獨(dú)立的時(shí)序邏輯電路，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多而雜，且所有的電路沒(méi)有相同可以共用的內(nèi)容，搭建電路浪費(fèi)時(shí)間［8］?。基于這個(gè)問(wèn)題，本項(xiàng)目在通過(guò)搭建了半加器的基礎(chǔ)上，完成固定結(jié)構(gòu)的輸入輸入接口。利用已完成的輸入輸出接口，設(shè)計(jì)幾個(gè)將組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，綜合實(shí)驗(yàn)包含“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)課程需要的所有內(nèi)容，完成部分小實(shí)驗(yàn)無(wú)須拆除重新搭建，在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)完成下一個(gè)實(shí)驗(yàn)，最后完成一個(gè)相對(duì)較復(fù)雜的綜合實(shí)驗(yàn)電路。圖2為“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容安排，從圖中可以看出，將時(shí)序邏輯電路中的移存型和計(jì)數(shù)型計(jì)數(shù)器內(nèi)容設(shè)計(jì)完成后，所產(chǎn)生的信號(hào)作為其余各實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的輸入控制信號(hào)，將組合時(shí)序電路部分有機(jī)結(jié)合，同時(shí)通過(guò)該方法可以實(shí)現(xiàn)所有實(shí)驗(yàn)電路的自動(dòng)檢測(cè)，無(wú)須人工手動(dòng)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生輸入高低電平的控制［9］?。

圖3用Multisim軟件仿真實(shí)現(xiàn)了一位傳統(tǒng)全加器，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)圖中左上角所示的A、B、CI所示的三個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)輸入變量的控制［10］?，這三個(gè)開(kāi)關(guān)通過(guò)人工控制，需要完成8個(gè)狀態(tài)的切換，不僅實(shí)驗(yàn)教師檢查電路手動(dòng)撥開(kāi)關(guān)麻煩，而且驗(yàn)證結(jié)果的正確性速度也很慢。按照?qǐng)D5中所示內(nèi)容安排，首先完成74LS161計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)功能，如圖4中74LS161器件所示，再將74LS161器件中的QA、QB、QC輸出作為A、B、CI對(duì)應(yīng)控制信號(hào)，按照相同的時(shí)鐘周期順序輸出000、001、010…111等8個(gè)狀態(tài)，全加器的輸出將會(huì)自動(dòng)通過(guò)二極管的亮滅顯示，這樣可以同時(shí)完成2個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

圖4用Multisim軟件仿真實(shí)現(xiàn)了0011同步序列檢測(cè)器，同樣可以采用計(jì)數(shù)器74LS161某一輸出端口QA/QB/QC產(chǎn)生需要檢測(cè)的序列信號(hào)，如QA依次連續(xù)產(chǎn)生01010101…，QB依次產(chǎn)生00110011…，QC依次產(chǎn)生0000111100001111…，通過(guò)切換三個(gè)輸出口，可以檢測(cè)輸入多種序列信號(hào)情形，而序列檢測(cè)采用其中一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觸發(fā)器去實(shí)現(xiàn)，將課程的三個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)合在一起，采用同步的時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)于時(shí)序電路的檢測(cè)現(xiàn)象會(huì)有很大的幫助。

以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容初步設(shè)計(jì)將組合電路和時(shí)序電路有機(jī)結(jié)合，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多而雜的現(xiàn)象。另外可以考慮將所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為2～3個(gè)綜合大的項(xiàng)目，每一個(gè)綜合項(xiàng)目包含多個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這樣能夠綜合理解所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為具體工程項(xiàng)目服務(wù)。

3.2?實(shí)施效果

上述“數(shù)字電路”實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容目前已針對(duì)兩屆學(xué)生實(shí)施，根據(jù)學(xué)生的反應(yīng)和上課效果，可以看到，基于面包板的數(shù)電實(shí)驗(yàn)學(xué)生完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有了更大的靈活性。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，不再像以前由于時(shí)間緊張，實(shí)驗(yàn)時(shí)匆匆忙忙搭建實(shí)驗(yàn)電路，完全沒(méi)有時(shí)間去思考電路中出現(xiàn)的問(wèn)題，導(dǎo)致最后的實(shí)驗(yàn)完全沒(méi)有效果，現(xiàn)在學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)有了更大的積極性，有問(wèn)題去咨詢教師，去探索電路的更多可能性，實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生收獲滿滿。

結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目提出利用面包板完成“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合面包板的具體特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了數(shù)電實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過(guò)Multisim軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，可以基于面包板的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)點(diǎn)的理解，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

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作者簡(jiǎn)介：蔣鐵珍（1977—?），女，漢族，江蘇南通人，博士，高工，碩士生導(dǎo)師，研究方向：電路與信號(hào)處理研究。