基于Proteus的“数字电路”实验课程智慧教学探索

摘要：以“数字电路”实验教学方法探索为主题，文章结合生活场景对“数字电路”实验内容进行了优化与重构，深化学生对“数字电路”原理的理解与掌握，以提高学生的实践能力。文章以智力竞赛抢答器实验项目为例，结合现代仿真软件Proteus，通过层次进阶式的教学模式，引导学生在实验中发现问题、分析问题并解决问题。所提方案有效提升了学生的动手能力、创新思维及团队协作能力，突破了时间和实验室空间的限制。

关键词：Proteus；“数字电路”实验；智慧教学

中图分类号：G718中图分类号" 文献标志码：文献标志码A

基金项目：校级教育教学课题；项目名称：新工科背景下赋能《数字电路》新课堂混合式教学的探索；项目编号：23JYYB06。

作者简介：候倍倍（1992— ），女，讲师，硕士；研究方向：数据通信技术，深度学习。

0" 引言

“数字电路”是通信电子类专业的主要课程之一，其内容比较抽象，逻辑性较强，且涉及大量的集成电路模块，具有较强的专业性。因此，学习“数字电路”不仅要掌握一定的理论知识，还要能够利用相关电路模块进行“数字电路”实验，帮助学生理解数字电路各个模块的工作原理，具备灵活运用“数字电路”模块设计的能力［1］。在传统的“数字电路”实验中，学生须要使用相关的“数字电路”硬件模块进行搭线连接并输入相关参数，观察数据的输入输出及处理结果等。然而使用实际的硬件模块进行数字电路实验，教师须要时常检验硬件电路模块的损耗情况，学生在做实验时既要进行大量的烦琐连线并反复调试，又要考虑电路电气等不利因素的干扰，实验的产生结果会出现一定的不确定性［2］，从而打击学生学习的热情，让学生对数字电路相关模块的工作原理掌握产生影响。鉴于此，针对“数字电路”实验课程所需硬件模块复杂、空间环境有限及维护成本高等特点，课题组成员将Proteus虚拟仿真软件引入实验教学［3］。

1" Proteus仿真软件介绍

Proteus是一款功能强大的电子设计自动化软件套件，被广泛应用于电子产品的开发和设计过程。该软件具有丰富的元件库，包含电阻、电容、晶体管、集成电路等多种电子元件，而且这些元件都有详细的模型，通过模拟其真实行为，使得用户能够进行精确的仿真。另外，其还具有强大的仿真引擎，能够模拟电路的性能，用户可以查看电压、电流、信号波形等参数，以便进行调试和优化其用户界面。Proteus原理图仿真界面如图1所示。

Proteus虚拟软件强大的功能较好地解决实验教学的空间和硬件设备限制，学生只须要利用一台计算机安装Proteus虚拟仿真软件，就可以不受空间限制地完成“数字电路”实验。通过这种虚拟仿真的实验教学方式，极大地提高了学生的实验正确效率和学习热情，同时也提升了学生的实践能力和创新能力。

2" “数字电路”实验教学改革思路

数字电路被广泛应用于各种电子设备和系统中，如手机、智能家居设备等，是电子信息类、计算机类等专业的学生走进硬件领域的入门课程。而“数字电路”实验教学是培养硬件领域应用型技术人才的一个重要环节，可以很好地锻炼学生的实践和创新思维能力。因此，“数字电路”实验教学应该在服务于理论教学的基础上，坚持以学生为中心，以能力导向为基础，从实验项目内容、教学模式、教学方法等方面进行改革研究［4-6］，提高实验内容的多样性、自主性和趣味性。把“教师做，学生模仿”这种机械式的学习转变为“教师引导，学生创作实现”的模式，不断培养学生的数字系统实践能力和创新思维能力。

2.1" 实验项目内容优化和重构，增强实验的实用性

“数字电路”实验内容应结合日常生活场景，体现出知识点的关联性、技能目标的递进性以及应用场景的多样性。本文综合考虑学生的差异性，布置实验任务有易有难，将实验内容分成基础部分和扩展部分，根据学生的具体情况做到因材施教。比如，在完成“触发器构实现位移寄存器”的基础上，对于展现出较强能力的学生，可挑战“流水灯电路设计”的进阶任务，以此作为实践能力深化的契机，确保学生能够平稳过渡到更高层次的学习，避免初期遇到的障碍引发挫败感或恐惧心理。另外，教师通过设定适当难度的项目，紧扣教学目标，能够有效激发学生的内在动力，培养他们面对挑战时的积极态度与克服困难的毅力。教师通过由浅入深、多样化的实验体系，帮助学生营造积极的心理氛围，提高学生学以致用的能力和创新思维水平。部分实验内容优化如表1所示。

2.2" 以赛促学法——促进学生“学以致用，知行合一”的教育理念

实验教学的核心目标在于有效应用所学的课程知识与技术。课题组成员致力于将各类电子设计竞赛、智能汽车大赛以及大学生实践创新项目等竞赛或实践项目融入实验教学，旨在通过项目驱动的教学方式，将传统的课堂实验教学与课外的实践探索紧密结合。以赛促学体系如图2所示。这一模式不仅为专题化和案例化教学提供了稳固的基石，还能够显著提升学生的实践创新能力和综合素质。通过引入相关的案例讲解，课题组成员鼓励学生参与全国电子设计大赛等实践活动，提升他们的参与度，在实际操作中深化对知识点的理解。

3" 基于Proteus的4路智力竞赛抢答器实验教学案例设计

3.1" 线上学习通平台进行前测，调整实验功能的多样性和深度

利用学习通平台，教师课前录制或选择相关的实验视频，包括实验原理、操作步骤、注意事项等，供学生在课前观看。帮助学生深入理解实验背景和理论知识，让学生了解并明确实验中“要做什么”“如何做”“为什么这么做”，教师提前在学习通发布实验内容基础测试，了解学生的理论知识掌握程度。

例如：如果让你设计一款抢答器，你希望它具备哪些功能，这些功能需要哪些数电模块实现？优先编码器74LS148功能和作用？

教师把实验分为基础性实验和扩展性实验：基础性实验为学生的必做实验，比如抢答器模块实现基本的抢答功能；扩展性实验供学习能力强的学生选做，在实现抢答功能的基础上实现倒计时功能等。教师通过设置2个实验，解决学生学习程度的差异化问题。

3.2" 智力竞赛抢答器案例导入，激发学生学习热情

案例导入环节主要是为了吸引学生的注意力，提高学生的学习热情。教师先给学生展示智力竞赛抢答器的设计效果：该智力抢答器可以为4位选手或团队提供抢答功能，能够实现抢答、计数以及锁存这3个大方向的功能；假设有4名选手，编号为1号、2号、3号、4号，分别对应一个抢答按钮；另外，主持人会控制一个控制按钮，用来表示抢答的开始和系统重置；当主持人按下开始按键后，4位选手进行抢答；假设3号选手最先抢答，则3号选手编号将进行锁存，并在对应抢答模块的数码管上显示数字3，同时倒计时停止。4路智力竞赛抢答器案例演示效果如图3所示。

3.3" 智力竞赛抢答器模块化分析，让学生明确需要掌握的知识和技能

学习热情只是一种短暂的情绪状态，应依靠明确的课堂目标来持续激发学生的探索欲。教学目标不仅扮演着维系学生求知动力的角色，还具备指导教学流程与评估学习成效的双重导向功能。如4路抢答器设计目标如下：巩固已学过的译码器和数码管的功能和工作原理；通过分组完成4路抢答器的设计，对实际问题进行逻辑分析与设计，熟练进行逻辑状态分配和化简；通过分组参与讨论，理解数字电路各部分模块和总体系统的联系，掌握数字电路系统的设计方法。智力竞赛抢答器的整体框架如图4所示。

3.3.1" 输入模块以及74LS148与74LS279模块设计

由实验要求可知，竞赛抢答器采取点触发式按钮，可以采用74LS148优先编码器进行编码作为输入信号，用来显示选手1—4的编号；再利用RS锁存器模块保存选手触发按钮的信号。74LS148的编码输入将作为74LS279的输出。该模块设计电路如图5所示。

3.3.2" 抢答倒计时模块设计

74LS190是一个4位同步可逆计数器芯片，通过将输入端置为0110，随着一个CP信号的到来，实现9—0的减法功能。功能端E端实现暂停计数功能，即选手按下抢答按钮，则停止计数。PL端可以实现裁判端的复位功能，即实现预置数功能。其倒计数模块如图6所示。

3.3.3" 选手互锁功能和计数器暂停设计

学生分析74LS48、74LS148和74LS190的功能和真值表可知：当74LS148的EI端为1时，电路将停止工作，则所有输出封锁在高电平；当74LS190的E端为1时，74LS190停止工作，即达到暂停效果。因此，学生可用一个逻辑与门接入74LS279的4S端作为一个低电平信号，将其通过锁存器产生的高电平信号接入74LS148的EI端和74LS190的E端，从而实现互锁和暂停功能。其对应的锁存器电路设计如图7所示。

3.4" 参与式学习+翻转课堂，激发学生自主探究和思考能力

参与式学习环节的学习主体是学生，教师起引导和辅助作用。学生通过小组讨论、互动实验、角色扮演等教学活动积极参与学习过程，教师提供及时的反馈和指导。当进行抢答器实验时，将每3位学生组成一个团队，每个团队针对抢答器实现的功能模块进行讨论和交流，教师进行适时的引导，鼓励学生自己动手，亲身体验实验过程，加深对理论知识的理解。教师随机选择一名学生答辩，其他同学和教师给予反馈和建议。当实验课程结束时，学生不仅要提交实验报告，还要以组为单位进行答辩，学生汇报对相关知识的理解、实验的实现过程、实验的心得体会，并演示最终的设计效果。教师针对学生的汇报，提出建议。通过展示和反馈，学生可以及时发现自己的不足并学习他人的优点。电路设计和问题解决过程都是加深学生对理论知识的内化，可以较好地提升学生的思考能力和解决实际问题的能力。

3.5" 实验后测，学生温故而知新

实验后测可用于评估学生的学习成果，通过比较前测和后测的结果。教师可以了解哪些教学目标已经实现，哪些还需要进一步巩固和提高。在课后，教师通过学习通平台布置作业，让学生巩固学习知识，并围绕抢答器功能和应用，引导学生进行科研文献研究来优化设计和调试过程。利用学习通平台进行线上交流与答疑，促使学生温故而知新。

4" 结语

本文通过Proteus仿真软件，不断探索和改进数字电路实验教学模式。以智能竞赛抢答器为例，本文证明了该教学模式有效增强了学生的实践操作能力并激发学生的创新思维。实验项目贴近生活情景，实验内容具有多样性，并且难度由浅入深，较好地激发了学生的学习动力。在实验教学中，教师采用参与式学习和翻转课堂模式，通过师生互动和生生互动，较好地锻炼了学生的实践能力和创新热情，培养了学生的团队合作能力；在实验软件的使用上，学生借助Proteus使用电脑随时随地学习，突破了时间和实验室硬件环境的限制。今后，课题组将继续探索实验教学方法和新技术，不断改善教学方法，提高高等教育的教学质量。

参考文献

［1］宋阳，贾惠芹，刘昕，等.基于工程能力的数字电路实验教学设计与实践［J］.电子技术，2024（3）：363-365.

［2］王伟征，潘显民.数字电路实验教学改革的探索与实践［J］.计算机教育，2024（6）：162-166.

［3］叶梦君，焦冰，叶天凤.基于Proteus的项目驱动模块化教学模式的探索与实践［J］.湖北师范大学学报（自然科学版），2023（1）：96-101.

［4］于秋爽，郑棣.BOPPPS模式下数字电路实验教学的探讨［J］.软件导刊，2021（11）：249-252.

［5］张慧熙，姚茂群，安康，等.探究性数字电路综合实验教学设计与实践［J］.实验室科学，2024（2）：138-143，148.

［6］陈曦，于金鹏.基于OBE-CDIO理念的“数字电子技术”实验教学设计［J］.电气电子教学学报，2023（1）：200-203.

（编辑" 沈" 强）

Exploration of smart teaching in “Digital Circuit” experiment course based on Proteus

HOU" Beibei

（Jiangxi University of Technology， Nanchang 330098， China）

Abstract： Focusing on exploring teaching methods for “Digital Circuit” experiments， the research team optimize and reconstruct the content of “Digital Circuit” experiments by integrating the real-life scenarios， which deepens students’ understanding and mastery of “Digital Circuit” principles， and enhances their practical abilities. Taking the intelligence competition buzzer experimental project as an example， this paper guides students to discover， analyze， and solve problems in the experiment through a progressive teaching model combined with modern simulation software Proteus. The proposed scheme effectively improve the students’ hands-on ability， innovative thinking， and teamwork ability， breaking free from the constraints of time and laboratory space.

Key words： Proteus; “Digital Circuit” experiment; smart teaching