数字逻辑电路课程教学软件的设计

刘 钊， 邓春健

(1. 中山职业技术学院， 广东 中山 528400; 2. 电子科技大学 中山学院, 广东 中山 528402)

数字逻辑电路课程教学软件的设计

刘 钊1， 邓春健2

(1. 中山职业技术学院， 广东 中山 528400; 2. 电子科技大学 中山学院, 广东 中山 528402)

在数字逻辑电路课堂教学中，现有仿真软件常常存在展示效果不佳、非电路的教学内容不能模拟等缺点，为了弥补这些不足设计开发数字逻辑电路教学软件。结合实例，对数字逻辑电路教学软件的设计思路和方法做了归纳，包括针对非电路知识点软件的设计，基本电路工作原理、工程案例等内容的模拟方法。自行开发教学软件可以因应教学需要设计，具有较好的灵活性，对帮助学生理解和应用知识点，提升课堂教学效果具有积极意义。

仿真软件； 理论教学； 软件开发

0 引 言

数字逻辑电路课程是高等学校电子信息、计算机、自动化等专业的重要基础课，课程具有内容多、知识点分散，理论性和实践性强的特点。传统教学模式下，教师对课程知识点往往只是进行原理性陈述，应用案例也生硬而空泛，再则教学手段落后，这些都是影响教学效果的重要原因。学生在学习完本门课程后往往收效不明显，尤其是到了应用环节常常无从下手。对比重点大学学生，独立学院、高职院校学生学习主动性不高，学习能力相对欠缺，课程的学习效果就更差。为了帮助学生学习课程，许多教师尝试改革教学手段，例如在课堂教学中引入EDA仿真软件，如Multisim，Proteus等[1-3]。虽然仿真软件对学生学习电路原理有着较好的促进作用，但教学过程还是存在一些不足，例如仿真软件界面的冗余信息较多，且由于投影效果常常影响学生对仿真效果的观察，演示时的交互性并不很好；一些非电路的教学内容不能仿真模拟；另外，软件一般都需要经过较复杂的安装过程后才能运行案例，而这些仿真软件操作也显得复杂，并不适合刚学习课程的学生。

自行开发教学软件可以因应学生和课程特点来设计符合教学需要的软件，能够较好的弥补仿真软件的不足。开发了大量数字逻辑电路教学软件，每个教学软件对应一个知识点，课堂只需要通过键盘输入、鼠标点击即可观察软件运行结果。这种教学手段可以给学生提供一个直接形象的感知背景，使抽象化、理论化的知识变得具体化、感性化，有利于增强知识点的直观性，激发学生的学习兴趣和活跃课堂气氛，加深学生对教学重点内容的理解和把握。

本文所开发教学软件的设计思路为：电路或知识点的基本原理可以直观的表现；融合一些基础的工程案例来帮助学生掌握知识点的应用方法；简单易用，便于安装和分发，软件可以在课堂上进行功能演示，在课后学生也能够直接学习使用。

1 非电路知识点的软件设计

数字逻辑电路课程中有许多知识点不直观，也不便于表述，如果能将这些较为抽象的知识点用形象化的教学软件表达出来，则能够增进学生对这些知识点的掌握。针对这类知识点，设计教学软件时可以借助生活中一些较为常见的例子来表达知识内容，并能够融入到软件中。例如在讲述时序逻辑电路基础中状态表(见表1)和状态图(见图1)的概念时，课程还没有学习到时序逻辑电路的状态转换的例子，教师用语言来叙述不容易叙述好，学生对这样的知识点很难一下理解深刻。状态表是在一定的输入条件下实现当前状态到下一状态的转变，同时产生输出的过程。这一过程就像电脑通关游戏，只要按照通关攻略就能够一步步的过关[4-5]。

表1 状态表

图1 状态图

根据这一启发，将状态表和状态图的概念设计到一个卡通通关游戏中，如图2所示。该游戏的“通关攻略”就在课本的状态表和状态图的例子中[4]。如表1和图1所示，卡通人物所处的位置即状态，最初状态在S0，当X输入1时，卡通人物状态就变成了S1。如果学生稍微研究一下“攻略”，X输入正确，卡通人物就能够到达最顶端，并且在Y处输出“1”，如图2(b)所示。对于这样轻松活泼又有些小挑战的教学软件，学生常常表现出浓厚的兴趣，状态表和状态图的概念也就能够较好的掌握。

(a)游戏初始化(b)游戏通关

图2 游戏运行界面

2 电路基本功能的模拟

数字逻辑电路课程学习的一个重要内容是掌握各种常用集成电路的工作原理和正确使用方法。而课本上的数字逻辑电路是模型化的，往往缺乏真实感，学生只有通过实验现象才能将模型化的知识具体化。好的教学软件能够极好的填补这种“真实感”，课堂上教师只要通过展示软件，学生通过观察实验现象就可以达到理解和识记电路目的。

电路基本功能的模拟是用最简单的电路连接来模拟软件的基本功能，教学软件只需要将拟模拟的电路基本原理清晰展示即可，但需要注意设计要联系电路的实际运行原理和使用场景。例如，常常作为教材的计数器案例7493，是数字逻辑电路中最典型的MSI异步计数器，模拟计数器7493运行的教学软件效果如图3、4所示。在该教学软件中，输入输出信号用文本输入框的文本“0”“1”来表示；时钟输入用按键电路的图片来模拟，为了使得键盘按下更逼真一些，在图中键盘处准备按下和抬起状态的两张图片。当鼠标左键按下时将键盘抬起的图片切换成键盘按下的图片；当鼠标左键释放时将图片重新切换成键盘抬起来的图片，此时输出才允许发生变化(7493在下降沿触发)。学生最容易忽视的是其内部是由一个分立的二进制和八进制计数器构成的计数器。为了让学生掌握7493构成十六进制计数器的原理，软件提供了3种连接方法，可

图3 八进制连接

图4 十六进制连接

以通过点击鼠标右键，通过弹出菜单来选择。如图3界面，选择“按键连CPA”菜单时按键输出信号连接在CPA上，7493只工作在二进制计数器模式下，当键盘按下时，只有QA发生变化；如果此时想使用八进制计数器，则点击鼠标右键选择菜单“按键连CPB”，如图3所示，此时当键盘按下QD、QC、QB将发生变化；当点击鼠标右键，选择菜单“QA连CPB”，即构成了十六进制计数器，如图4所示，此时当键盘按下,QD、QC、QB、QA都发生变化。

在课堂演示时可以通过提问方式并配合教学软件引导学生学习7493的用法。例如要学生思考为什么键盘按下的时刻计数器没有发生变化，而是键盘抬起来的时刻发生了变化；为什么R01、R02输入都为“1”时无论键盘怎么按下，计数器都不工作；当按键信号连接在CPA时，为什么只有QA发生变化。同理按键信号连接在CPB时，为什么QA不发生变化；如果要构成十六进制计数器电路又该如何连接等。

3 工程案例的模拟

灵活应用所学知识的原理和方法，获得分析问题和解决问题的能力是学习数字逻辑电路课程的目的。在学习集成电路时如果不学习其应用方法和背景，就像是孤立的、不在语境中记忆外文词汇一样，即使记住了单词拼写也不知道单词该在哪些场合使用。学习集成电路就是要让学生最终能够学以致用，这就需要教师在课堂上能够展开启发，通过工程案例来帮助学生深入学习电路的应用方法。

针对某个集成电路，不仅结合课程中案例来设计教学软件，还融入一些典型的工程案例来设计。例如，教材中讲述74151以及计数器的应用时，引用的是“11100100序列产生器”的例子(见图5)，74151教学软件集成了74151的基本原理、“序列产生器”软件中的LED灯接74151的输出，用来显示序列产生器的输出[6]，如图6所示。

图5 11100100序列产生器

图6 序列产生器输出显示

课本上“11100100序列产生器”的例子比较呆板，并不容易激发兴趣，但把电路做一下改造，在74151的输出端接蜂鸣器，这就是实现简易音乐播放器的工程案例[5]。如图7所示，在教学软件上选择连接接蜂鸣器，并在数据输入端接入各音阶对应的频率信号，然后在数据选择端A2A1A0选择其中一路频率输出，则可通过驱动PC的蜂鸣器，通过数据选择端A2A1A0选择D0～D7的输出顺序，则可以播放出歌曲来，这个播放顺序存放在乐谱输入框“A2A1A0”中。通过该电路的启发，学生很快能够掌握74151的原理，并能够设计出非常动听的音乐播放器。

图7 音乐播放器

4 结 语

将开发的软件推荐给独立学院、职业技术学院不同类型大学的相关教师使用，普遍反映教学效果良好，该教学软件提升了学生对课程的理解和掌握程度，既提高了学生的学习效果，又提升了教师的教学手段。自行设计数字逻辑电路教学软件，可以根据实际教学需要来设计和定制软件，多年教学实践证明对提高教学质量效果显著。

[1] 王尔申, 庞 涛, 李 鹏, 等. Multisim和Proteus仿真在数字电路课程教学中的应用[J]. 实验技术与管理, 2013(30): 79-81.

[2] 刘 胜， 杨 夏. 基于Proteus的数字电路虚拟实验室建设[J].电气电子教学学报, 2012 (34): 85-88.

[3] 张钰玲， 甘昕艳. Proteus仿真在数字电子技术课程中的应用[J].桂林电子科技大学学报, 2008(28): 530-533.

[4] 阎 石. 数字电子技术基础(5版)[M].北京：高等教育出版社,2006，5: 319-320.

[5] 周文辉， 邓春健，黎 萍. 电气信息类课程中课堂游戏的设计与实践 [J].电气电子教学学报, 2014(36):81-83.

[6] 邓春健，李文生，石建国，等. “数字逻辑电路”教学改革与实验平台建设[J].计算机教育, 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

全国教育信息技术研究“十二五”规划2013 年度课题(136240994)；广东省教育科研“十二五” 规划2012 年度研究项目(2012JK004)；广东省高校优秀青年创新人才培养计划项目(Yq2013204)

刘钊(1985-)，男，硕士，讲师，研究方向为计算机应用、嵌入式系统应用。Tel.: 13425511775; E-mail: 386722335@qq.com

邓春健(1980-)，男，硕士生导师,博士，教授，研究方向为信息显示技术、嵌入式系统应用。 E-mail: dcj5880870@126.com

TP 391.72

A

1006-7167(2017)01-0140-04