虛擬實驗在《數字電路》課程教學中的應用探究

李 珈，陳曉黎

（湖北科技職業學院，湖北 武漢 430073）

一、引言

眾所周知，數字電路的廣泛應用和高度發展標志著現代電子技術的水準。數字電子計算機、數字式儀表、數字控制裝置和工業邏輯系統等方面都是以數字電路為基礎的。《數字電路》是高職電子類專業必修的技術基礎課，屬于職業基礎課類，在掌握了數字電路的基本工作原理、分析方法和調試測試數字電路技能之后，才有助于更好、更快地理解和掌握單片機原理及應用、電子設計自動化方法、嵌入式系統的構建及應用等，為從事電子系統的研發及運行維護等方面工作建立基礎。因此，本門課程不僅具有自身的理論體系，而且是一門實踐性很強的課程，要求理論聯系實際，強調技術應用。

根據《教育部關于以就業為導向 深化高等職業教育改革的若干意見》中提出的“高等職業院校必須把培養學生動手能力、實踐能力和可持續發展能力放在突出的地位，促進學生技能的培養”等指導精神，我們將數字電路中的理論知識點進行重構，以若干個任務為依托，將知識點融入其中，體現理論對實踐技能的指導，引導學生進行相關的知識積累，尋求解決問題、完成任務的方法和技能。

在實際的教學過程中，我們引入虛擬實驗，以此來彌補真實實驗環境中設備有限、開放時間短、損耗大等方面的不足。本文將從虛擬實驗的重要性、虛擬實驗的方法和流程以及利與弊分析來探究其在數字電路課程教學中的應用。

二、虛擬實驗的應用重要性

數字電路課程本身具有很強的實踐性，涵蓋了大量的隱性知識，比如設計技巧和規范、故障排除方法和經驗、儀器操作方法等，都需要通過大量操作和練習使得顯性的知識熟練和內化，促進顯性知識和隱性知識的相互轉換。所以，實驗和實踐教學是《數字電路》課程教學中至關重要、甚至是不可或缺的關鍵教學環節。如何科學、有效地開展實驗和實踐教學，是數字電路課程教學中的重中之重。

隨著計算機技術的飛速發展，虛擬仿真技術逐步成為電子工程領域進行電路分析與輔助設計的重要工具。無論是從事電子系統研發，還是測試、運行維護，都要求能夠熟練使用、操作相關的計算機輔助設計或分析軟件。這就要求我們在進行諸如數字電路這樣的基礎技能課程教學過程中，必須加入計算機輔助設計或分析軟件的使用及操作部分，在幫助學生們領悟和內化理論知識的同時，為能夠快速、熟練掌握其它設計分析工具打下堅實的基礎。這種在實驗、實踐環節中運用計算機輔助分析或設計軟件，在計算機上搭接電路并對電路的特性進行分析或仿真，同時模擬儀器測量電路性能指標等，我們稱之為虛擬實驗。

此外，在多媒體教學設備大量使用的今天，虛擬實驗也有利于基于發現學習法的“教學做”一體化教學模式的開展，體現“以學生為主體，以教師為主導”的教育理念。美國著名心理學家布魯納所倡導的發現學習法認為：“學習者自己發現的東西才是最重要的和最富于獨特的個個特色的知識。”在多媒體教學中，教師利用虛擬電子技術，在計算機上進行驗證仿真實驗，向學生們演示承載了知識點的項目，展示認證的思維過程，引導學生們進行有效地探究；然后學生們通過人機對話的方式，選擇元器件，連接電路，選擇參數，自己修改分析，測試，與理論相對照，體驗發現的樂趣，形成探索的習慣，培養創新思維方法和科學精神，使學生對學習內容的感性認識得到加強。在這個過程中，教師在做中教，適時給予相關引導和指導，讓學生們在教中做、做中學，達到“一教就懂，一學就會，一用就靈”的教學目標。

三、虛擬實驗的方法和流程

虛擬實驗主要是利用計算機輔助設計或分析軟件進行電路設計和分析，一般流程如圖1所示。首先進行必要的項目分析，根據需求確立技術指標，確定實現方案、電路中的各元器件型號、參數，在計算機輔助軟件上繪制電路圖，然后利用虛擬儀器進行在線測試、分析，以及狀態顯示，對照技術指標；如果結果并不滿足要求，實驗者可以結合理論知識進行故障分析和排除，直至最后得到滿意的結果。此外，實驗者也可以調整和修改相關元件參數，觀察所得到的變化，進行多方面的綜合驗證，從中獲取經驗和技巧，并加強對理論知識的理解，提高動手能力。

可用于進行虛擬實驗的輔助仿真軟件有很多，比如 Multisim、Proteus、OrCAD、Quartus等等，各有千秋。我們在實際的教學中使用的是美國 NI公司的Multisim10.0，它不僅具有界面直觀、操作方便等特點，還可以將不同類型的電路組成混合電路進行仿真，在計算機屏幕上模仿真實實驗室的工作臺，而且使用的虛擬儀器無論是其控制面板外形，還是其操作方式，都與實物相似，盡可能地逼近實際運行情況，使使用者迅速掌握常用電子儀器的測量方法和操作技能。此外它還可以同其他流行的電路分析、設計和制造軟件交換數據，便于移植。

圖1 虛擬實驗的一般流程

四、虛擬實驗的利與弊

虛擬實驗可以彌補實物實驗的不足。實物實驗由于其直觀性和真實性長期占據實驗的主導地位，但易受到設備、場地、時間等方面的限制，特別是實物實驗具有一定的危險性和不可逆性，會影響實驗的繼續進行，也會帶來實驗設備的損耗。虛擬實驗可以很好的解決這些方面的問題，它可以反復修改、嘗試，避免了器件的損耗，節約實驗開支，同時最大的好處就是可以把稍縱即逝的實驗結果保存下來，便于仔細觀察和分析。

但是，虛擬實驗畢竟是虛擬的電子實驗平臺，即使再怎么逼近真實，也永遠無法替代真實的實驗環境：如實際負載能力的大小，輸出電流大小的變化對負載的影響無法觀察；又如當集成電路專用 5伏電源與地線發生短路時計算機軟件無提示，與實際電源短路情況的現象有差異；還有實際環境的溫度、濕度和干擾等對電路的影響無法觀察等。另外虛擬實驗中所用到的虛擬儀器基本上是“一鍵操作”，即只要輕點鼠標，相應結果就出現在屏幕上，這就會減弱學生對真實儀器的感覺，影響實驗技能。

五、結束語

經過實踐證明，虛擬實驗可以促進學生們熟練掌握計算機輔助設計或分析軟件的操作和應用，達到從事電子助理工程師或運行維護助理工程師等崗位的相關職能要求；可以促進基于發現學習法的“教學做”一體化教學模式的開展；可以促進實驗課程模式的創新，為打破實驗教學的時空限制，極大限度地提供條件和技術支持。

應當注意的是仿真實驗教學是一種現代化的教學手段，可以彌補傳統實驗教學的不足，但仿真實驗不能代替實際操作。電子專業類的學生要想學到實際本領，不能僅僅依靠計算機的鍵盤來實現，仍然要保證教學計劃的實物實驗教學課時數，仿真實驗必須與傳統實驗教學相輔相成才能發揮其應有的作用。

[1]蔣宗堯.學法指導藝術[M].北京：中國林業出版社，2000.

[2]黃潔.數字電子技術應用基礎[M].北京：電子工業出版社，2011.