数字电路口袋实验室在实践教学中的应用

数字电路口袋实验室在实践教学中的应用
郭立强
【摘要】实践教学日益成为\"数字电子技术\"课程教学改革的重点之一.本文介绍
了基于数字电路口袋实验室的课程教学改革,引导学生在该口袋实验室上进行相关
的学习与实践.数字电路口袋实验室作为师生互动的良好载体,将理论知识的传授与
学生实践能力的培养相结合,激发学生的学习兴趣,为后续专业课的学习打下坚实的
基础.
【期刊名称】《电气电子教学学报》
【年(卷),期】2019(041)003
【总页数】6页(P149-154)
【关键词】口袋实验室;数字电路;实践教学;教学改革
【作者】郭立强
【作者单位】淮阴师范学院计算机科学与技术学院,江苏淮安223300
【正文语种】中文
【中图分类】G420;TN79
0 引言
“数字电子技术”课程是我院物联网工程专业的基础必修课，在整个应用型人才培养体系中起到重要的作用[1～3]。

本门课是由理论课和实验课构成，各占32课时。

理论课主要讲授逻辑代数基础、集成逻辑门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻
辑电路、脉冲波形的产生和变换、A/D和D/A 变换等相关知识。

对于实验课，由于受到教学资源的限制，主要以EDA仿真来完成实验教学。

实验仿真具有简单、方便的优点，不需要购置相关仪器设备，成为众多高校的首选教学方式。

例如，基于Multisim 软件的实验教学[4～7]，以及基于Proteus软件仿真的实验教学[8～10]。

但是，基于EDA技术的实验教学却难以有效提高学生对硬件电路的调试和分析的能力，往往学期结束，学生连一些基本的元器件都不认识。

这也说明仿真实验和实物实验在教学中还是有一定的差距。

如何解决好实践教学环节“最后一公里”的问题成为当前“数字电子技术”教学亟待解决的问题。

1 数字电路口袋实验室
1946 年，美国学者艾德加·戴尔提出了“学习金字塔” 理论，如图1所示。

应用该理论的课堂教学是教师引导学生去主动发现和学习的方式，在课堂教学中有着重要的应用[11～12]。

图1 “学习金字塔”理论模型
从图中可以看到，金字塔的塔尖就是我们传统的授课方式，学生在24小时后对教师所讲授知识的保持率仅有5%；采用学生阅读、音视频相结合和教师现场演示等方法来授课，学生在24小时后的平均知识保持率呈现逐步提高的趋势，但保持率并不高。

上述几种教学方法中，学生都处于被动接受知识的状态，因此知识保持率很低。

只有当学生主动参与到课堂教学中来，如学生的小组讨论、实践学习和应用所学知识来解决实际问题时，其知识保持率才会处于较高的水平状态。

从“学习金字塔”的理论模型中可以看出，实践教学对于学生掌握知识以及知识体系的构建具有重要的作用。

为了更好地使学生融入到课堂，在实践教学中真正实现以学生为中心，改变过去教学过程中教师的“一言堂”问题，笔者设计开发了数字电路口袋实验室并应用于本科教学。

图2是笔者设计开发的数字电路口袋实验室的硬件电路。

该硬件电路所对应的系
统框图如图3所示。

该硬件电路主要采用模块化的设计思想，具体由连接模块、
电源模块、时钟信号模块、面包板模块、元件模块、LED模块、点阵模块、传感
器模块、开关电路模块、多级放大模块、数码管模块、计数器模块、触发器模块、编码译码模块和集成逻辑门模块等构成。

图2 “数字电路口袋实验室”的硬件电路
图3 “口袋实验室”系统框图
数字电路口袋实验室的尺寸为22×16 cm，可使用电脑USB接口或者移动电源供电，静态电流小于30 mA。

该实验平台可以进行数字电路常规实验，包括集成逻
辑门芯片的测试与使用、组合逻辑电路设计、触发器的测试与应用以及时序逻辑电路的设计等。

同时可根据需要，使用面包板连接线对各个功能模块进行自由组合来实现数字电路系统的设计与开发。

经过三轮的实践教学，该平台已由当初的1.0版本发展到今天的1.3版本，笔者根据教学反馈不断地对其进行优化改进，并形成了目前的稳定版本。

2 基于口袋实验室的实践教学
在传统授课方式中，理论教学和实验环节是分开的。

笔者在实践教学体系的构建上，考虑到了要以学生为中心，充分调动学生的主观能动性，使学生主动参与到课堂教学全过程中。

笔者开展的基于口袋实验室的实践教学是让学生在教师的指导下以实践操作为主，对所学的知识获得直观的感性认识，并逐步锻炼自己的电路设计和分析的基本技能。

具体的实施主要从理论课和实验课的教学模式上进行必要的变革，同时引导学生充分利用课后时间进行自主学习。

2.1 理论教学
在进行理论授课时，教师根据课程内容，给学生几分钟时间在口袋实验室上直接进行简单的验证性实验操作。

例如，集成逻辑门电路这一章的教学内容主要包括半导
体二极管和晶体管的开关特性、晶体管分立元件构造基本逻辑门电路和TTL与非
门等。

在讲解完半导体器件的开关特性后，要求学生结合图4在口袋实验室上搭
建二极管“与门”硬件电路，具体实验步骤如下：
图4 二极管与门
(1)在无件模块上选择两个开关二极管，阴极通过连接线接到拨码开关模块的轻触
按键上，轻触按键另外一端接地；
(2)在发光二极管显示模块上选取一个LED，LED的阳极与开关二极管的阳极通过
引线连接到锁紧座上；
(3)对于电阻R1，在无件模块上选取4.7 K电阻，电阻的一端接电源，另一端连接到上一步骤的锁紧座区域；
(4)观察当轻触按键按下与不按时，LED的状态是点亮还是熄灭，以此来验证该电
路的逻辑与功能。

同样的步骤，可以让学生在课后完成二极管“或门”、三极管“非门”电路。

同时，让学生在口袋实验室上搭建分立元件“与非门”和“或非门”电路，以此来加深对理论知识的掌握。

集成逻辑门电路讲解完成后，学生便可以对口袋实验室上的集成逻辑门模块中的“与门”、“或门”、“非门”、“与非”和“或非”门芯片进行测试。

这种在课上边讲边练的教学模式可以使学生在实践中进一步掌握理论知识。

同时，作为师生互动的重要载体，基于口袋实验室的理论教学，使课堂氛围更活跃，课程的学习更有趣味性。

2.2 实验教学
传统的实验教学是在计算机上用EDA软件来完成相关实验。

笔者在实验教学过程中，把大部分实验都转移到口袋实验室上，完成“数字电子技术”基础课程的核心实验。

为了使学生更好地完成相关实验，笔者编写了配套的实验指导书，共有57
个实验供学生选择，每一个实验都有详细的实验步骤。

这些实验分布在六个教学章节中：集成逻辑门电路、组合逻辑电路的分析与设计、触发器、时序逻辑电路的分析与设计、脉冲波形的产生和整形、A/D和D/A变换。

其中硬件实验主要集中在前四个章节，涵盖了“数字电子技术”这门课的核心内容。

后两章的实验以软件仿真为主，采用仿真的主要原因是不具备相关的实验条件。

例如A/D和D/A变换这一章的实验需要示波器、信号发生器、ADC和DAC芯片等等。

这些实验以趣味性实验为主，实验的难度层层递进，具体包括简单的基础验证性实验，难度适中的拓展提高实验和难度较大的综合性实验。

在基础逻辑门这一章中，分立元件与门、或门、非门、与非门、或非门电路实验首先需要用Proteus进行电路仿真，然后移植到口袋实验室上进行硬件电路的搭建。

上述逻辑门所对应的芯片(例如CD4081、CD4071、CD4069、CD4011和
CD4001)的功能是在口袋实验室上进行验证。

以上实验均是验证性实验，而综合
性实验，如基于与非门的抢答器、声光控制节能灯和触摸延迟灯电路的设计需要学生首先根据提示完成仿真电路的设计，之后在口袋实验室上完成硬件电路的搭建。

组合逻辑电路的分析与设计这一章中，验证性的实验主要有八线—三线编码器(74LS148)、三线—八线译码器(74LS138)、四位二进制加法器(74LS283)、四线—十线译码器(74LS42)、显示译码器(CD4543)芯片的逻辑功能验证，这些实验是在口袋实验室上完成。

拓展提高实验包括一位全加器的设计、四线—二线编码器
的设计、二线—四线译码器的设计、显示编译码电路设计、三变量表决器设计、
数值比较器设计等，它们是通过仿真与硬件实验相结合的方式完成的。

综合性实验有四位二进制数显示电路、单向流水灯、四路抢答器、基于74LS138的三变量表决器电路设计等，这些实验是通过EDA仿真与口袋实验室上硬件电路搭建相结合来完成的。

触发器这一章中，验证性实验有基于与非门的基本RS触发器电路设计(包括EDA
仿真和硬件电路搭建两个环节来分别完成)；同步RS触发器设计、同步D触发器
设计、主从RS触发器设计(以上三个实验通过EDA仿真来完成)；边沿D触发器
设计(74LS74)、边沿JK触发器设计(CD4027)(以上两个实验在口袋实验室上完成
芯片功能的验证)。

拓展提高实验包括按键消抖电路设计(EDA仿真完成)设计、基
于触发器的双闪灯电路设计、触发器类型的转换和分频电路实验(以上三个实验通
过EDA与硬件电路搭建相结合的形式完成)。

综合性实验包括基于D触发器的电
子蜡烛电路设计、基于触发器的单向流水灯电路设计和基于触发器的抢答器设计(这三个实验通过EDA仿真与口袋实验室上硬件电路的搭建相结合来完成)，而基
于触发器的继电器控制电路是通过EDA仿真来完成的。

时序逻辑电路的分析和设计这一章中，验证性实验包括：双BCD加法计数器芯片(CD4518)功能验证、四位同步二进制加法计数器芯片(74LS161)功能验证、可逆
计数器芯片(CD4029)功能验证、分频计数器(CD4017)功能验证和四位双向移位寄存器(74LS194)功能验证(以上四个实验在口袋实验室上来完成)；拓展提高实验包
括基于CD4017的流水灯电路设计、声控流水灯电路、基于74LS161的任意进制计数器设计、正反计时器设计、基于74LS194的流水灯电路设计(以上五个实验通过EDA仿真与口袋实验室上硬件电路的搭建相结合来完成)；综合性实验包括数字秒表电路设计、多模式彩灯电路设计、双向流水灯电路设计、爆闪灯电路设计、数字电子钟电路设计、数字交通灯电路设计、拔河游戏机电路设计和二十四秒倒计时电路设计(以上八个实验均采用EDA仿真与口袋实验室上硬件电路搭建相结合的形式来完成)。

上述章节的实验是“数字电子技术”这门课的核心内容，主要是在口袋实验室上来完成。

而脉冲波形的产生、变换和A/D与D/A变换这两个章节的内容主要以
EDA仿真实验为主。

实验课具体实施如下。

简单验证性实验，例如芯片功能的测试或者简单电路的搭建，
主要由学生自主完成，无需教师过多的干预。

拓展提高实验的难度适中，教师需提供适当的指导和帮助。

以抢答器电路实验为例，如图5所示，教师先讲解该电路
的原理，学生掌握电路原理后，对这个电路进行更改，即设计三路抢答器。

学生用EDA软件完成电路的仿真设计，然后在口袋实验室上搭建电路。

这里，口袋实验
室上只有三输入与门(CD4073)，并没有三输入与非门。

这些都需要根据现有的逻
辑门芯片来实现三输入与非门的功能。

整个电路的搭建有一定的难度，需要学生去思考。

图5 与非门实现四路抢答器
同样的抢答器电路，在组合逻辑电路这一章的实验中，可以进一步对其功能进行优化，加入CD4511显示译码器，增加数码管显示功能。

此外，教师可以引导学生
增加声音提醒功能，用口袋实验室的蜂鸣器模块和三极管开关电路模块来实现。

在接下来触发器这一章的实验中引入基于D触发器的抢答电路设计。

类似的，流水
灯电路也有多个解决方案，如基于4线—10线译码器的流水灯电路，基于触发器的流水灯电路，基于计数器CD4017的流水灯电路等。

同样的一个趣味电路，可
以有多样化的设计方案，有利于拓宽学生的思路。

在实验课教学中，验证性实验和拓展提高性实验是所有的学生都要完成的。

考虑到学生在学习上的个性化差异，部分学生想在电路设计上有更大的提高，笔者在每一章都设计了2—3个难度较大的综合性实验。

典型的综合性实验有双向流水灯实验，使用译码器、计数器和触发器模块实现；多模式彩灯实验，使用移位寄存器、计数器模块、触发器模块和集成逻辑门实现；爆闪灯电路，使用计数器模块、三极管开关模块和点阵模块实现。

此外，在实验教学过程中，教师应鼓励和引导学生自己设计趣味电路，并把学生设计的优秀电路纳入到实验指导书中，以此来不断丰富教学案例。

2.3 课后自主学习
口袋实验室的一个显著优点是它的便携性。

笔者设计开发的口袋实验室的尺寸为
22×16 cm，可以通过计算机的USB接口或者移动电源为本实验平台供电，使用
方便。

学生课后在寝室可以自主完成相关实验，克服了传统实验箱的体积笨重，受实验场地等因素制约的缺点，拓展了教学的广度和深度。

在每节实验课结束后，笔者都会给学生留三个实验作业供学生选择并在口袋实验室上完成，在下次课让学生到课堂上演示他们的结果并介绍电路的原理。

这么做的目的使使学生从被动接受变为主动学习，电路的讲解过程也是自我提高的过程，是“学习金字塔”理论模型中学习保持率最高的层次。

以此来引导学生进行电路分析并逐步培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

3 结语
基于口袋实验室的实践教学方法对培养学生的动手实践能力和创新精神起到了积极的推动作用。

与传统的教学方法相比，学生普遍反映使用它可以使所学的知识形象化、具体化，学起来更容易。

同时，这种基于口袋实验室的教学还可以使学生掌握基本的硬件电路设计、调试、分析和排除简单电路故障的能力。

近两年，笔者的基于口袋实验室的实践教学方法获得了2017年江苏省高等学校微课教学比赛一等奖。

同时也获得了教育部电工电子基础课程教学指导委员会举办的“2018年全国高等学校青年教师电子技术基础、电子线路课程授课竞赛(华东赛区)”选拔赛一等奖，并入围全国总决赛。

这些成绩的取得也是对基于口袋实验室的实践教学的一个积极肯定。

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