基于虛擬仿真技術的數字電路課程教學改革與實踐

易向東

摘 要：本文對數字電路課程教學改革進行深入的研究，在教學過程中，為了有效提高學生學習的興趣，更好地掌握數字電路的課程內容，提出數字電路教學改革思路，努力構建成熟的虛擬仿真平臺，借助虛擬仿真軟件來將實驗操作更好地仿真出來，擴大現代電子專業實驗室的內涵和外延，對現代數字電路課程教學和實驗研究起到了有力的促進作用。將數字電路的實驗項目同虛擬仿真技術有效結合，是進行數字電路課程教學改革的趨勢所在。

關鍵詞：數字電路 虛擬仿真 實踐 課程改革

中圖分類號：TN79 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0225-02

數字電路課程是電子信息工程，電氣自動化，機械制造及自動化等工科專業的一門專業基礎課[1]。該內容理論性特別強，掌握數字電路分析的基本方法和基本技能，能給后續深入探究學習和工作予以堅實的理論積淀。這門課程的實驗教學以往都是在硬件上進行的，學生完成了理論課，使用實驗平臺進行實驗操作[2]。如果學生能夠在一個虛擬仿真平臺進行對所學的知識實際模擬操作，學生可以對數字電路知識有更深刻的理解，對知識做到學以致用。因此，這就非常需要引進虛擬仿真技術，在計算機上搭建一個適合學生學習數字電路課程的平臺[3]。

1 為什么要引入虛擬仿真技術

由于教材的單一，內容的冗雜等原因，學生缺乏學習熱情，學生學習不到深刻的知識，而且還影響到教師的教學。這時就需要尋找一種既能在現實教學中讓老師學到新的教學技術，認識到新的虛擬仿真技術教學模式，學生也可以接觸到新的虛擬仿真教學技術。很顯然只有與現代社會技術息息相關，緊緊跟隨科技的腳步，引進虛擬仿真技術，才能更好地完成知識的傳教，還能從根本上激發學生的學習熱情和老師的教學熱情[4]。在課堂教學的應用上，對集成線路以及門線路的教學期間，能夠在課上就借助軟件來實現對相關線路的模擬操作，如此學生們就能更好地去感知到線路作用原理情況以及各類芯片實施操作的具體實現信息[5]。從而把握其對應著的運用實現。這樣，整個教育工作就是從原則到運用，從單一到繁雜，從抽象到實際，逐步實現相關知識的學習操作。

在實驗教學中，學生需要訓練自主設計實驗和使用電子設備的綜合能力，而一般現有的實驗室只可以做一些相對簡單的驗證性實驗，不能做有特定需求以及綜合效用的實驗內容[6]。這時候使用虛擬仿真軟件就能夠很好地對實驗室內容實現拓展，給出更多選擇的電子線路以及芯片類型，可以設計出任何想要實現的電路，以此檢驗相關內容的準確效果。同時，借助軟件的組態效用，用恰當的外部線路能夠得到各類型的運用實現的效果。

2 虛擬仿真平臺的建立與實施

第一步：安裝相應的虛擬仿真技術軟件，選擇適合課程需要的虛擬仿真軟件。

第二步：安排任課老師進行虛擬仿真軟件相關知識的培訓。

第三步：根據課程教學大綱進行虛擬仿真實驗教學內容的設計。

在利用虛擬仿真軟件進行教學時，要注意以下幾個方面。

其一是對現階段的網絡實現體系的管制和優化，任教老師對相應的虛擬仿真技術軟件的應用、故障分析、故障處理等要有良好的理解。根據網絡操作系統的要求，對各類服務器進行擴展實驗，并能應對各種突發事件。有必要對操作系統的設定和管理實施有效地運用進行完善工作。

其二是對其網絡組成環境實現有效地確保安排。不單單要對各類技術內容實現高效率地運用，還要確保整個實施期間的安全效用[8]。虛擬仿真系統集成最有效的網絡安全工具，如數據庫、網絡防火墻、殺毒軟件、網絡嗅探、入侵檢測、數據加密之類，安裝這些能確保實驗平臺安全性、完整性、有效性地開展實驗活動，避免不必要的干擾和損害。

3 數字電路虛擬仿真實驗教學應用的開發

在開發實施實驗平臺的構建期間，完成了三個階段的工作。（1）根據確定的典型項目的典型工作任務和學習任務的設計，明確各組件和工具的選擇，同時準備完成實驗所需儀器等硬件設備的清單；（2）以模塊化設計理念的借鑒，對選取的硬件設備進行分類與整合，確定虛擬實驗教學平臺的模塊組成和教學體系結構，數字電路實驗教學平臺包括組合邏輯電路、時序邏輯電路的設計，脈沖信號發生器等模塊內容組成；（3）選取Multisim 10軟件為虛擬實驗教學平臺的開發環境，在Multisim 10仿真環境下施行各模塊電路設計、編譯設計，功能模塊和各種典型的學習任務。在Multisim 10開發平臺下完成各數字電路的設計和調試工作。

4 虛擬仿真教學模式的構建

參照混合式學習理論以及建構主義學習理論相關內容的知識，并聯系新課程改革給出來的教學要求來實施模式的構架工作，運用信息化相關內容來實現探究模式的有效構建。該模型由“項目引入、制定計劃、實施計劃”和“展覽與評估”四部分組成，在虛擬仿真環境中心模型的控制下，圍繞中心的四個環節形成一個環形序列[9]。以下以多路彩燈項目為例，介紹了該模型的實現過程。

多路彩燈項目是學生完成對數字線路內容涉及以及知識開發運用的重要學習項目。在項目設計中的兩個74芯片產生的三態模型三計數器，16個周期的CP。用一個74161芯片給出來的co輸出部分實現對74芯片給出來的clk輸入部分的管控操作，如此確保各狀態都是連續作用到16個cp周期。兩片194芯片構成顯示電路，對8燈實施輸出管控的是74194對應的8個輸出部分。4個輸出端口兩個74得到的3個狀態，4個輸出端口被用來控制左、右移位控制終端。通過本項目的學習，使學生學會建立在數字電路的最小系統，了解數字電路的設計開發過程中，程序的設計方法和逐步掌握數字電路的知識系統。借助此類教學內容來加強學生在發展效能、團隊協作以及創造方面的力量，系統地培養學生的發展能力、團隊合作能力和創新能力。

根據項目的目標，在“項目引入”的一部分，教授者需要擔負的任務是：其一，跟隨著仿真平臺的幫助下，對具體的實例安排以及目標確定等做好規劃，給定具體的學習要求；其二，基于學生的已有知識和能力水平充分考慮，借助分組對學生進行協作學習，具體安排完成時間和評價結果等內容；其三，為學生提供必要的學習資源。

學生的活動主要是通過觀察和分析，明確具體的任務，獨自或通過小組合作完成學習任務，通過需要完成的任務，學習到相應的專業知識和自己預期完成任務時能達到的水平，準備相關的學習資源。

在“制定計劃”部分需要學生參照小組內具體的執行情況等，完成目標實驗內容，并對相應的實驗探究所需操作進行分析，明確對應的知識內容運用情況等，做出基于虛擬仿真平臺的決策，劃定具體實驗操作的實施步驟。根據虛擬仿真平臺194左右鍵控制左移位的194芯片的右移順序等施行相關操作。為實驗的實施做好準備。

在該方案的施行過程中，需要學生參照給定的規劃來實施具體操作任務的執行工作，借助平臺，老師能夠很好地對學生實施引導交互工作[10]。學生通過相關理論來實施操作，建構知識，形成知識教學與實踐運用的一體化。

5 教學實踐常見問題和解決方案

第一，可能新技術的應用會使得剛開始接觸的老師不是很熟悉，需要參加一定的培訓。還有就是教師在講解時一定要配合現在社會對于這個課程的實際運用，時時聯系實際，才能讓學生學到知識時與現在的實際聯系起來，這才是學到真知識。

第二，虛擬仿真技術應用在計算機系統上可能會突發故障，所以需要多置備幾套工具，并且學校應該配置幾名相應的維護人員?？梢允亲屜嚓P的教師定期參加相應的培訓。希望虛擬仿真技術教學模式的實踐能讓我們的教師與學生與時俱進，在不斷學習新知識的同時也能跟實際社會緊緊聯系在一起。

6 結論與建議

本文對數字電路教學實踐中存在的諸多不足之處進行了分析，從多方面探討了實際教學期間需改進的地方，明確了將虛擬仿真技術和數字電路實驗聯系起來的教學模式。在課堂教學中，我們給出了許多同此學科相關的教學安排內容；在實驗教學中，借助具體的虛擬仿真軟件，將實驗教學與仿真實驗有效聯系起來，構建功能更加強大的虛擬仿真試驗室。不但增加了實驗可實施的操作內容，而且所需要的投入也大量的縮減，更好地實現了綜合實驗以及功能實驗等的需求。因此，努力構建成熟的虛擬仿真實驗平臺，可以借助相關虛擬仿真軟件來將實驗操作更好地模擬出來，擴大現代實驗室的內涵和外延，對現代數字電路課程教學和實驗研究起到了有力的促進作用。

參考文獻

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[2] 趙娟.基于虛擬仿真的數字電子實驗教學改革與實踐[J].科技資訊，2016（29）：82-83.

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[6] 陳恒.虛擬仿真技術在電子類課程中的應用研究[J].實驗室科學，2015（3）：59-61.

[7] 張偉凱.基于實時數字仿真及三維虛擬現實的教學的開發與應用[D].山東大學，2014.

[8] 莫琳.數字電路課程實驗教學的探索與實踐[J].中國電力教育，2013（14）：122-123.

[9] 李松湘.虛擬仿真技術在電子技術課程教學中的應用研究[D].湖南師范大學，2012.

[10]張華.仿真技術在模擬電路教學中的應用研究[D].山東師范大學，2011.