虛擬實(shí)驗(yàn)在《數(shù)字電路》課程教學(xué)中的應(yīng)用探究

李 珈，陳曉黎

（湖北科技職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430073）

一、引言

眾所周知，數(shù)字電路的廣泛應(yīng)用和高度發(fā)展標(biāo)志著現(xiàn)代電子技術(shù)的水準(zhǔn)。數(shù)字電子計(jì)算機(jī)、數(shù)字式儀表、數(shù)字控制裝置和工業(yè)邏輯系統(tǒng)等方面都是以數(shù)字電路為基礎(chǔ)的?！稊?shù)字電路》是高職電子類專業(yè)必修的技術(shù)基礎(chǔ)課，屬于職業(yè)基礎(chǔ)課類，在掌握了數(shù)字電路的基本工作原理、分析方法和調(diào)試測試數(shù)字電路技能之后，才有助于更好、更快地理解和掌握單片機(jī)原理及應(yīng)用、電子設(shè)計(jì)自動化方法、嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用等，為從事電子系統(tǒng)的研發(fā)及運(yùn)行維護(hù)等方面工作建立基礎(chǔ)。因此，本門課程不僅具有自身的理論體系，而且是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，要求理論聯(lián)系實(shí)際，強(qiáng)調(diào)技術(shù)應(yīng)用。

根據(jù)《教育部關(guān)于以就業(yè)為導(dǎo)向 深化高等職業(yè)教育改革的若干意見》中提出的“高等職業(yè)院校必須把培養(yǎng)學(xué)生動手能力、實(shí)踐能力和可持續(xù)發(fā)展能力放在突出的地位，促進(jìn)學(xué)生技能的培養(yǎng)”等指導(dǎo)精神，我們將數(shù)字電路中的理論知識點(diǎn)進(jìn)行重構(gòu)，以若干個(gè)任務(wù)為依托，將知識點(diǎn)融入其中，體現(xiàn)理論對實(shí)踐技能的指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的知識積累，尋求解決問題、完成任務(wù)的方法和技能。

在實(shí)際的教學(xué)過程中，我們引入虛擬實(shí)驗(yàn)，以此來彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中設(shè)備有限、開放時(shí)間短、損耗大等方面的不足。本文將從虛擬實(shí)驗(yàn)的重要性、虛擬實(shí)驗(yàn)的方法和流程以及利與弊分析來探究其在數(shù)字電路課程教學(xué)中的應(yīng)用。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用重要性

數(shù)字電路課程本身具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，涵蓋了大量的隱性知識，比如設(shè)計(jì)技巧和規(guī)范、故障排除方法和經(jīng)驗(yàn)、儀器操作方法等，都需要通過大量操作和練習(xí)使得顯性的知識熟練和內(nèi)化，促進(jìn)顯性知識和隱性知識的相互轉(zhuǎn)換。所以，實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)是《數(shù)字電路》課程教學(xué)中至關(guān)重要、甚至是不可或缺的關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)。如何科學(xué)、有效地開展實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)，是數(shù)字電路課程教學(xué)中的重中之重。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐步成為電子工程領(lǐng)域進(jìn)行電路分析與輔助設(shè)計(jì)的重要工具。無論是從事電子系統(tǒng)研發(fā)，還是測試、運(yùn)行維護(hù)，都要求能夠熟練使用、操作相關(guān)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或分析軟件。這就要求我們在進(jìn)行諸如數(shù)字電路這樣的基礎(chǔ)技能課程教學(xué)過程中，必須加入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或分析軟件的使用及操作部分，在幫助學(xué)生們領(lǐng)悟和內(nèi)化理論知識的同時(shí)，為能夠快速、熟練掌握其它設(shè)計(jì)分析工具打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這種在實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)中運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助分析或設(shè)計(jì)軟件，在計(jì)算機(jī)上搭接電路并對電路的特性進(jìn)行分析或仿真，同時(shí)模擬儀器測量電路性能指標(biāo)等，我們稱之為虛擬實(shí)驗(yàn)。

此外，在多媒體教學(xué)設(shè)備大量使用的今天，虛擬實(shí)驗(yàn)也有利于基于發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)法的“教學(xué)做”一體化教學(xué)模式的開展，體現(xiàn)“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)”的教育理念。美國著名心理學(xué)家布魯納所倡導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)法認(rèn)為：“學(xué)習(xí)者自己發(fā)現(xiàn)的東西才是最重要的和最富于獨(dú)特的個(gè)個(gè)特色的知識。”在多媒體教學(xué)中，教師利用虛擬電子技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)，向?qū)W生們演示承載了知識點(diǎn)的項(xiàng)目，展示認(rèn)證的思維過程，引導(dǎo)學(xué)生們進(jìn)行有效地探究；然后學(xué)生們通過人機(jī)對話的方式，選擇元器件，連接電路，選擇參數(shù)，自己修改分析，測試，與理論相對照，體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的樂趣，形成探索的習(xí)慣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維方法和科學(xué)精神，使學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的感性認(rèn)識得到加強(qiáng)。在這個(gè)過程中，教師在做中教，適時(shí)給予相關(guān)引導(dǎo)和指導(dǎo)，讓學(xué)生們在教中做、做中學(xué)，達(dá)到“一教就懂，一學(xué)就會，一用就靈”的教學(xué)目標(biāo)。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)的方法和流程

虛擬實(shí)驗(yàn)主要是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或分析軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和分析，一般流程如圖1所示。首先進(jìn)行必要的項(xiàng)目分析，根據(jù)需求確立技術(shù)指標(biāo)，確定實(shí)現(xiàn)方案、電路中的各元器件型號、參數(shù)，在計(jì)算機(jī)輔助軟件上繪制電路圖，然后利用虛擬儀器進(jìn)行在線測試、分析，以及狀態(tài)顯示，對照技術(shù)指標(biāo)；如果結(jié)果并不滿足要求，實(shí)驗(yàn)者可以結(jié)合理論知識進(jìn)行故障分析和排除，直至最后得到滿意的結(jié)果。此外，實(shí)驗(yàn)者也可以調(diào)整和修改相關(guān)元件參數(shù)，觀察所得到的變化，進(jìn)行多方面的綜合驗(yàn)證，從中獲取經(jīng)驗(yàn)和技巧，并加強(qiáng)對理論知識的理解，提高動手能力。

可用于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)際的教學(xué)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(diǎn)，還可以將不同類型的電路組成混合電路進(jìn)行仿真，在計(jì)算機(jī)屏幕上模仿真實(shí)實(shí)驗(yàn)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(shí)物相似，盡可能地逼近實(shí)際運(yùn)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(shè)計(jì)和制造軟件交換數(shù)據(jù)，便于移植。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)的一般流程

四、虛擬實(shí)驗(yàn)的利與弊

虛擬實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的不足。實(shí)物實(shí)驗(yàn)由于其直觀性和真實(shí)性長期占據(jù)實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)地位，但易受到設(shè)備、場地、時(shí)間等方面的限制，特別是實(shí)物實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性和不可逆性，會影響實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，也會帶來實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損耗。虛擬實(shí)驗(yàn)可以很好的解決這些方面的問題，它可以反復(fù)修改、嘗試，避免了器件的損耗，節(jié)約實(shí)驗(yàn)開支，同時(shí)最大的好處就是可以把稍縱即逝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存下來，便于仔細(xì)觀察和分析。

但是，虛擬實(shí)驗(yàn)畢竟是虛擬的電子實(shí)驗(yàn)平臺，即使再怎么逼近真實(shí)，也永遠(yuǎn)無法替代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境：如實(shí)際負(fù)載能力的大小，輸出電流大小的變化對負(fù)載的影響無法觀察；又如當(dāng)集成電路專用 5伏電源與地線發(fā)生短路時(shí)計(jì)算機(jī)軟件無提示，與實(shí)際電源短路情況的現(xiàn)象有差異；還有實(shí)際環(huán)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(shí)驗(yàn)中所用到的虛擬儀器基本上是“一鍵操作”，即只要輕點(diǎn)鼠標(biāo)，相應(yīng)結(jié)果就出現(xiàn)在屏幕上，這就會減弱學(xué)生對真實(shí)儀器的感覺，影響實(shí)驗(yàn)技能。

五、結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)踐證明，虛擬實(shí)驗(yàn)可以促進(jìn)學(xué)生們熟練掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或分析軟件的操作和應(yīng)用，達(dá)到從事電子助理工程師或運(yùn)行維護(hù)助理工程師等崗位的相關(guān)職能要求；可以促進(jìn)基于發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)法的“教學(xué)做”一體化教學(xué)模式的開展；可以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程模式的創(chuàng)新，為打破實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空限制，極大限度地提供條件和技術(shù)支持。

應(yīng)當(dāng)注意的是仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種現(xiàn)代化的教學(xué)手段，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，但仿真實(shí)驗(yàn)不能代替實(shí)際操作。電子專業(yè)類的學(xué)生要想學(xué)到實(shí)際本領(lǐng)，不能僅僅依靠計(jì)算機(jī)的鍵盤來實(shí)現(xiàn)，仍然要保證教學(xué)計(jì)劃的實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)數(shù)，仿真實(shí)驗(yàn)必須與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相輔相成才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

[1]蔣宗堯.學(xué)法指導(dǎo)藝術(shù)[M].北京：中國林業(yè)出版社，2000.

[2]黃潔.數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.