基于面包板的“数字电路”实验教学内容设计

蒋铁珍 许耀华 黎轩

摘 要：“数字电路”实验是高校电子类专业必修且非常重要的课程，针对该课程普遍采用工具箱完成实验存在的问题，提出采用面包板来完成所有实验，学生需要在面包板上进行整体布局设计，再完成每一个实验电路并进行电路正确性的验证。利用面包板完成数字电路实验更加灵活，学生发挥的空间更大，能够很好地提高学生实验的积极性。由于采用面包板进行数字电路实验，学生需要完成更多的电路搭建，通过对实验内容的合理设计，学生能够综合考虑多个实验之间的关系，节约时间且能够加深学生对各知识点之间联系的理解。经过两年实验课程的验证，收到了不错的效果，学生既掌握了理论知识，又能高效地完成实验。

关键词：电子专业；数字电路；面包板；实验内容

中图分类号：G642  文献标识码：A

高校电子电路类专业是一门知识与技能相结合的专业，在熟悉理论知识的基础上，强调实践操作技能，要求该专业学生应有一定的独立操作实践能力。学校每年招收电子电路类学生近千人，实验课开设困难重重，如何能利用实验课，提高学生的学习兴趣，加强实践与理论联系，提高动手实践操作技能，对学生毕业后的就业具有重要意义［1］ 。

“数字电路”实验是电子电路类专业的专业实验核心课，本项目以“数字电路与逻辑设计实验”课程为例，探索基于面包板的课程实验内容设计方法，培养具有系统化理论知识、具有创新精神和实践能力的高素质本科电子电路人才。

1 “数字电路”实验课程普遍现象

1.1 实验课程普遍存在问题

高校由于经费问题，各类电子电路实验室普遍存在设备陈旧、时间场地受限、课程管理繁杂、实验教学效果不良等现实情况，导致学生实验存在很多不可预知的问题，难以保证优质的实验教学效率。一般传统实验教学过程中实验课程时间较短，学生人数较多，教师难以指导到每个学生，学生简单完成规定的内容就可以，同时由于课程学分较少，学生不够重视，导致学生不能在实验操作中培养很好的实践操作能力。教师也很难通过实验过程及实验报告及时了解学生存在的问题，难以获取实验课程教学存在的问题，从而用于课程的后续改进［2］ 。同时目前专业实验课程的教学形式单一，实验内容简单枯燥，学生依画瓢葫芦完成即可，理论课程主要以课堂讲授知识为主，理论课程教师没有动手操作技能，实验课教师和理论课教师完全脱节，对实验课程起不到理论指导作用［3］ 。

1.2 “数字电路”实验工具箱存在问题

目前大部分高校针对“数字电路”实验课程普遍采用设计好的工具箱进行实验，该试验箱操作比较方便，学生搭电路也比较容易。部分高校由于实验室安排不开问题，采用便携式实验包。此便携式实验包在没有稳压源的情况下，利用充电宝即可完成数电实验，大大减轻了高校实验室的安排困难问题［4］ 。这两种试验箱，虽然学生完成实验比较方便，但完成实验就像搭积木一样，对很多输入输出、电源等外围电路完全不清楚，仅依葫芦画瓢完成数电实验，知其然不知其所以然。同时试验箱是每一届学生都会延续使用，使用时间长，学生使用操作不规范，导致试验箱存在很多问题，当试验箱出现问题时，由于学生不清楚试验箱的工作原理，完全没有办法去解决，因此该类试验箱不利于学生在实验过程中去查找问题。

1.3 “数字电路”实验内容存在问题

目前大部分高校“数字电路”实验在试验箱上利用集成中小规模的逻辑芯片，完成对应理论课程的内容［5］ 。“数字电路”实验内容比较散，互相之间没有关系，尤其是具体电路实现时采用不同集成芯片完成，学生在实验时，完成一个实验需要把前一个实验的所有电路全部拔光，下一个实验必须全部重新开始，浪费教师和学生时间，而且学生完成所有实验后可能还不知道各实验之间的关系，不能进一步巩固理论课程所学知识。

2 基于面包板的实验教学设计

本项目针对“数字电路”实验课程目前存在的问题，提出利用面包板来完成所有实验［6］ 。

图1是采用面包板实现的半加器，从图1中可以看到，面包板除纵向5孔是连通的，其余的都是不通的，这样的面包板学生无须担心由于不清楚试验箱的内部结构导致发生故障无法检测问题，学生可以任意按照自己的意愿去搭建符合要求的电路，给了学生最大的自由发挥空间，当然这也对学生的实验能力提出了更高的要求，学生必须在理解的基础上完成所有实验［7］ 。

由于试验箱实验时已经提供了各种电源、时钟电路、输入和输出接口或显示，学生实验时只需要连接中间数字芯片就可完成实验，很多学生不了解其他电路及相关知识。利用面包板实验时，学生需要自己去实现电源及时钟电路，同时对于数字电路非常重要的输入和输出接口也需要学生自己去完成。这样学生通过完成这些电路，熟悉了数字芯片电路之外的相关电路，尤其了解了数字电路的0、1两个状態如何通过电路来实现。

图1是在面包板上完成的1位半加器，通过完成半加器的完成，可以熟悉面包板、逻辑状态及输入输出的控制。搭建电路时，学生首先需要根据面包板的大小进行布局，分配电路2个输入2个输出端口的位置，再结合具体电路分配半加器针对和、进位输出对应的电路。图4是半加器在状态为“01”“10”下的输出现象，可以看到指示灯亮，代表状态为“1”。在了解输入输出接口的情况下，规划好面包板各部分使用，可以完成固定的4输入4输出的电路，为以后的所有实验服务。由于面包板是在完全空白的板上搭建电路，每个学生的思路都不一样，不仅可以避免部分学生借用其他同学电路交差的现象，而且可以采用多种考核方式激发学生各种创新的积极性。

3 “数字电路”实验课程内容设计及实施效果

3.1 “数字电路”实验课程内容设计

目前数电实验课程需要完成5个独立的组合逻辑电路和7个独立的时序逻辑电路，实验内容多而杂，且所有的电路没有相同可以共用的内容，搭建电路浪费时间［8］ 。基于这个问题，本项目在通过搭建了半加器的基础上，完成固定结构的输入输入接口。利用已完成的输入输出接口，设计几个将组合逻辑电路和时序逻辑电路结合的综合实验内容，综合实验包含“数字电路”实验课程需要的所有内容，完成部分小实验无须拆除重新搭建，在此基础上，继续完成下一个实验，最后完成一个相对较复杂的综合实验电路。图2为“数字电路”实验课程内容安排，从图中可以看出，将时序逻辑电路中的移存型和计数型计数器内容设计完成后，所产生的信号作为其余各实验内容的输入控制信号，将组合时序电路部分有机结合，同时通过该方法可以实现所有实验电路的自动检测，无须人工手动拨动开关产生输入高低电平的控制［9］ 。

图3用Multisim软件仿真实现了一位传统全加器，在实验过程中，通过图中左上角所示的A、B、CI所示的三个开关实现输入变量的控制［10］ ，这三个开关通过人工控制，需要完成8个状态的切换，不仅实验教师检查电路手动拨开关麻烦，而且验证结果的正确性速度也很慢。按照图5中所示内容安排，首先完成74LS161计数器的计数功能，如图4中74LS161器件所示，再将74LS161器件中的QA、QB、QC输出作为A、B、CI对应控制信号，按照相同的时钟周期顺序输出000、001、010…111等8个状态，全加器的输出将会自动通过二极管的亮灭显示，这样可以同时完成2个实验内容。

图4用Multisim软件仿真实现了0011同步序列检测器，同样可以采用计数器74LS161某一输出端口QA/QB/QC产生需要检测的序列信号，如QA依次连续产生01010101…，QB依次产生00110011…，QC依次产生0000111100001111…，通过切换三个输出口，可以检测输入多种序列信号情形，而序列检测采用其中一实验内容触发器去实现，将课程的三个实验内容结合在一起，采用同步的时钟信号，对于时序电路的检测现象会有很大的帮助。

以上实验内容初步设计将组合电路和时序电路有机结合，解决传统实验内容多而杂的现象。另外可以考虑将所有实验内容分为2～3个综合大的项目，每一个综合项目包含多个实验内容，这样能够综合理解所有实验内容，为具体工程项目服务。

3.2 实施效果

上述“数字电路”实验课程的实验内容目前已针对两届学生实施，根据学生的反应和上课效果，可以看到，基于面包板的数电实验学生完成各项实验有了更大的灵活性。同时由于实验内容的调整，学生实验时，不再像以前由于时间紧张，实验时匆匆忙忙搭建实验电路，完全没有时间去思考电路中出现的问题，导致最后的实验完全没有效果，现在学生实验时有了更大的积极性，有问题去咨询教师，去探索电路的更多可能性，实验完成后，学生收获满满。

结语

本项目提出利用面包板完成“数字电路与逻辑设计”的实验，并结合面包板的具体特点，设计了数电实验的实验内容。通过Multisim软件进行了仿真验证，可以基于面包板的实验内容设计，加深对实验基本知识点的理解，培养学生实验的学习兴趣，提高学生的实践动手能力。

参考文献：

［1］林成杰.《电子线路》实验课的重要意义［EB/OL］.（2017）［2023724］.https：//wenku.baidu.com/view/6a2e 46506f175f0e7cd184254b35eefdc8d315b4？aggId=6a2e46506 f175f0e7cd184254b35eefdc8d315b4&fr=catalogMain_.

［2］王玲玲，富立，王秋生.虚拟仿真实验教学管理系统设计与应用［J］.实验技术与管理，2021，38（9）：241245.

［3］黄春媚.虚拟实验方式在电子技术实验教学中的应用［J］.广西教育，2016（11）：181183.

［4］吴苏，马知远，周达华.基于口袋实验室的数字电路课程教学模式改革与实践［J］.大学教育，2020（9）：102104.

［5］夏义全.数字电路实验与设计［M］.武汉：武汉大学出版社，2014.

［6］李玲，周波，周国军，等.“面包板”在模拟电路中的教学实践［J］.电脑知识与技术，2020，16（14）：199201.

［7］李啸，朱景伟，薛征宇，等.面包板在电子设计教学模式改革中的应用［J］.教育现代化，2020，10：3537.

［8］李晓輝.数字电路与逻辑设计（第2版）［M］.北京：电子工业出版社，2017.

［9］崔金实，张卓.基于虚拟仿真的线上实验课教学研究——以数字电路与逻辑设计实验课为例［J］.长春工程学院学报（社会科学版），2020，21（2）：103107.

［10］罗朝明，周卓，周小安，等.Multisim软件在信号与系统课程实验教学中的应用［J］.湖南理工学院学报（自然科学版），2019，32（1）：8790.

基金项目：安徽省高等学校教学研究项目“基于虚实结合的混合式实验教学方法研究——以《数字电路与逻辑设计实验》课程为例”（2021jyxm0092）

作者简介：蒋铁珍（1977— ），女，汉族，江苏南通人，博士，高工，硕士生导师，研究方向：电路与信号处理研究。