基于線上虛擬仿真的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

冼燦嬌，鄭鑫

（廣西民族師范學(xué)院，廣西 崇左 532200）

1 前言

數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是電子通信類專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)踐課，同時(shí)也是物理學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化和物聯(lián)網(wǎng)等理工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐課。該實(shí)驗(yàn)課程與理論課程聯(lián)系非常緊密，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。該課程的主要內(nèi)容是使學(xué)生驗(yàn)證和運(yùn)用數(shù)字電子技術(shù)的理論知識，使學(xué)生能夠加深對理論知識的理解，學(xué)會使用科學(xué)理論知識解決實(shí)際工程問題的方法和技能，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

通常，數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室是在實(shí)體教室完成，實(shí)體教室除了給學(xué)生和教師提供固定的實(shí)驗(yàn)場所，還提供了實(shí)驗(yàn)儀器和輔助器材，教師通過實(shí)物操作的授課方式教予學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的儀器設(shè)備操作和電路搭建及調(diào)試。在這種情況下，學(xué)生只能進(jìn)行課堂的實(shí)驗(yàn)，走出實(shí)驗(yàn)室就無法進(jìn)行相關(guān)的理論驗(yàn)證和設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，另外，由于每個(gè)學(xué)生的理解能力存在差異，在實(shí)驗(yàn)課堂時(shí)間有限的情況下，部分學(xué)生無法在課堂上完成實(shí)驗(yàn)或者沒來得及掌握知識點(diǎn)，如果在課堂外能通過新的“平臺”來彌補(bǔ)時(shí)間的“不足”，對學(xué)生來說就多一種鍛煉機(jī)會。單純通過實(shí)體教室完成實(shí)驗(yàn)課程的方式存在一定的缺陷，容易導(dǎo)致學(xué)生對更多理論知識的掌握無法通過實(shí)踐驗(yàn)證進(jìn)行加強(qiáng)鞏固。隨著社會及技術(shù)發(fā)展，市面上出現(xiàn)了很多虛擬仿真軟件，而Multisim 仿真軟件具有簡潔易懂、操作性好等優(yōu)點(diǎn)，若將Multisim 引入我們的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中，通過這個(gè)軟件給學(xué)生提供一個(gè)自主實(shí)驗(yàn)的平臺，學(xué)生便可隨時(shí)隨地通過實(shí)驗(yàn)對所學(xué)的理論知識進(jìn)行驗(yàn)證，無論是理論課程還是實(shí)驗(yàn)課程，教學(xué)效果都會有很大的提高。通過這樣的教學(xué)平臺，還能提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和自主創(chuàng)新的意識，培養(yǎng)學(xué)生使用科學(xué)知識解決實(shí)際問題的工程意識。

2 Multisim 軟件的介紹

Multisim 軟件是美國國家儀器有限公司推出的一款電子技術(shù)仿真軟件，經(jīng)過多年的發(fā)展，目前有很多個(gè)更新版本。Multisim 軟件在更新升級過程中，始終延續(xù)它的直觀界面、操作方便和簡單易學(xué)易用等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在軟件的功能上又有創(chuàng)新性的升級改動?，F(xiàn)階段，Multisim 軟件能夠靈活有效地滿足電子電路的設(shè)計(jì)和虛擬仿真的需求，讓使用者可以更方便地完成實(shí)際和仿真數(shù)據(jù)的比較，節(jié)省電路測試的時(shí)間。

Multisim 軟件提供多種語言界面，面向不同國家的人群。Multisim 軟件具有友好的界面，如圖1 所示，它的界面中有菜單欄、工具欄、虛擬器件欄、虛擬儀器欄、工作區(qū)等等。這款軟件有數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)常用的基本元器件庫、晶體庫和數(shù)字集成元器件庫等相關(guān)庫，極大地提高了數(shù)字電子實(shí)驗(yàn)器件型號的可選性。軟件儀器欄提供了比實(shí)體實(shí)驗(yàn)室還要齊全的電子電路測試儀器，足以滿足電子電路設(shè)計(jì)和測試的需求。

圖1 Multisim 軟件界面

3 線上虛擬仿真的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的目的

目前，數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)臺比較陳舊，有一部分的電源、器件插孔、示波器、開關(guān)和時(shí)鐘等已損壞或者接觸不良，導(dǎo)致學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)體驗(yàn)差，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣嚴(yán)重下滑，同時(shí)引起課程教學(xué)質(zhì)量差等問題。即使更換新的設(shè)備，由于實(shí)驗(yàn)室不是開放性的實(shí)驗(yàn)室，只在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)開放，同樣也會限制學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣。因此，很有必要提供一個(gè)線上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，讓學(xué)生可以自由地選擇學(xué)習(xí)時(shí)間，提高學(xué)生對知識的渴望度。而數(shù)字電子電路用Multisim 軟件仿真得到的結(jié)果與實(shí)際電路得到的結(jié)果基本一致，測量儀器也比較齊全，可以完成很多目前我們實(shí)驗(yàn)室不能完成的一些測試，給學(xué)生的自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了很大空間。目前，我們數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室已購置一批全新的計(jì)算機(jī)和仿真平臺，給數(shù)字電子技術(shù)虛擬仿真提供了一個(gè)平臺。為培養(yǎng)與社會能快速融合的人才，僅靠線下的實(shí)踐教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要利用仿真實(shí)驗(yàn)機(jī)制來提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

采用線上虛擬仿真的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式目的有以下幾個(gè)方面。

（1）解決因?qū)嶒?yàn)室設(shè)備問題導(dǎo)致的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量差的問題。線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受實(shí)驗(yàn)室的限制，學(xué)生有的實(shí)驗(yàn)知識在課堂中吸收不了的，課后還可以重復(fù)學(xué)習(xí)，給學(xué)生提供了復(fù)習(xí)的平臺。

（2）提升學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。Multisim 軟件中的器件和儀器比較完善，足夠?qū)W生驗(yàn)證和設(shè)計(jì)一些常見的電路。由于數(shù)字電子技術(shù)理論與實(shí)驗(yàn)是不同的教師授課，學(xué)生就可以根據(jù)理論的進(jìn)度在線上虛擬仿真平臺對理論知識進(jìn)行驗(yàn)證，可以加深學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用。

（3）提高數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)質(zhì)量。由于實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備及儀器老化，課堂教學(xué)質(zhì)量一直得不到提升，虛擬仿真軟件可以保證器件和儀器的完好性，學(xué)生可以較好地完成課程實(shí)驗(yàn)，給與學(xué)生一定的成就感，從而提高他們對這門課程的興趣。

（4）使培養(yǎng)的人才與社會接軌，在教學(xué)中及時(shí)更新虛擬仿真軟件，采用新的授課方式，加入新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，不斷提高學(xué)生的知識水平。

4 線上虛擬仿真的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的建立

圍繞學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)，依據(jù)專業(yè)和課程建設(shè)與人才培養(yǎng)目標(biāo)相結(jié)合的原則，構(gòu)建線上虛擬仿真的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)。線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)建立主要從課程內(nèi)容、課程教學(xué)方法、課程教學(xué)模式和考核評價(jià)四個(gè)方面進(jìn)行。如圖2 所示。

圖2 線上虛擬仿真的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程體系

4.1 建立線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程

數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)類型主要分為基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)三類，如圖2 所示。

在本課程中安排2 ～3 次課的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，包括器件功能的驗(yàn)證和簡單電路的功能驗(yàn)證。器件功能驗(yàn)證主要是邏輯門的功能驗(yàn)證，在Multisim 軟件中可以通過簡單電路測試，也可以通過邏輯轉(zhuǎn)換儀和邏輯分析儀來測試。設(shè)計(jì)電路的功能驗(yàn)證可以通過觀察電路中的LED 燈或數(shù)碼管進(jìn)行驗(yàn)證，也可以使用Multisim 軟件中的示波器、頻率計(jì)、字發(fā)生器等儀器進(jìn)行測試。

課程中安排3 次的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，主要是通過教師講解實(shí)驗(yàn)中用到的原理知識，要求學(xué)生按要求使用Multisim 軟件設(shè)計(jì)出符合條件的電路。

創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生自主確定實(shí)現(xiàn)的功能，要求學(xué)生使用Multisim 軟件進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試。

課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選取一定程度上影響學(xué)生對本門課程的學(xué)習(xí)興趣，選取生活中常見的產(chǎn)品或新的、熱門的產(chǎn)品電路作為課堂實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生在日常生活中了解知識的用途，關(guān)注知識的應(yīng)用，很容易就能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。課后建立專門的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)討論群，方便學(xué)生與學(xué)生、教師與學(xué)生之間的互動交流。

4.2 制定線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的考評機(jī)制

一套完整的課程考評機(jī)制對課程教學(xué)質(zhì)量至關(guān)重要。完善的考評機(jī)制可以激勵(lì)學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)，提高學(xué)生對課程的關(guān)注度。目前，線上教學(xué)平臺有很多學(xué)情信息統(tǒng)計(jì)，線上虛擬仿真數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程主要通過以下方面進(jìn)行考評。

（1）到課率。無論線上還是線下課堂，到課率都是一個(gè)最基本的也是非常重要的考評指標(biāo)，體現(xiàn)了學(xué)生對課程的參與度和重視程度，如果一個(gè)學(xué)生的到課率都不達(dá)標(biāo)，說明該生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐也就沒有達(dá)標(biāo)。

（2）課堂實(shí)驗(yàn)完成度及結(jié)果。通過學(xué)生提交課堂實(shí)驗(yàn)文件，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)完成過程以及完成質(zhì)量來了解學(xué)生對每次數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握程度。

（3）創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)情況。通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中的原理圖設(shè)計(jì)及測試可以了解學(xué)生對理論知識的掌握及運(yùn)用情況。

（4）實(shí)驗(yàn)過程和測試報(bào)告：要求學(xué)生將實(shí)驗(yàn)過程和測試報(bào)告編寫形成一個(gè)文件提交給教師，培養(yǎng)學(xué)生撰寫測試報(bào)告的能力。

課程的成績由教師通過上述四個(gè)方面的情況進(jìn)行綜合評定，應(yīng)更多地關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，關(guān)注學(xué)生的成長過程、自主探究和創(chuàng)新能力。

通過以上各方面綜合考察學(xué)生對課程的掌握，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，不僅可以提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，還能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題和自主創(chuàng)新的能力，符合現(xiàn)今社會需求工程實(shí)踐型人才的培養(yǎng)的要求。

4.3 線上虛擬實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法

課程教學(xué)方法體現(xiàn)著教師的教學(xué)水平，本課程采用課前發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)、課堂組織教學(xué)、課后收集學(xué)生學(xué)情后進(jìn)行教學(xué)反思的教學(xué)方法。

（1）課前發(fā)布任務(wù)。讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)，鞏固相關(guān)的理論知識。使學(xué)生有充分的時(shí)間了解實(shí)驗(yàn)的原理以及認(rèn)識電路。

（2）課堂組織教學(xué)。用通俗易懂的語言給學(xué)生講解課程內(nèi)容的重點(diǎn)、難點(diǎn)及易錯(cuò)點(diǎn)等。在課堂教學(xué)有序進(jìn)行的同時(shí)增強(qiáng)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的交流互動，讓學(xué)生在流動的知識中無意識地學(xué)到知識。

（3）課后收集學(xué)生學(xué)情后進(jìn)行教學(xué)反思。收集學(xué)生的學(xué)習(xí)情況有助于教師了解學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的掌握程度，若發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)不理解、電路設(shè)計(jì)與測試無法實(shí)現(xiàn)等情況，便于教師反思教學(xué)方式及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法。

4.4 教學(xué)模式

在本次數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)改革中采用的是線上教學(xué)的模式，教學(xué)過程錄播視頻上傳到我校的線上教學(xué)平臺，便于學(xué)生課后的回顧學(xué)習(xí)。

5 虛擬仿真數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐舉例

在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們完全借助Multisim 軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，下面使用基本門電路設(shè)計(jì)一個(gè)簡易型四人搶答器為例。

5.1 設(shè)計(jì)方法

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，四人搶答只有一個(gè)人搶答成功。假設(shè)四人操作的開關(guān)為A、B、C、D，無人搶答時(shí)開關(guān)打開。若任何一人先搶答按下對應(yīng)開關(guān)且保持閉合，則與其對應(yīng)的指示燈被點(diǎn)亮，表示搶答成功；而其他三人再操作開關(guān)，其對應(yīng)的指示燈都不會亮起。因此，搶答器對應(yīng)的邏輯狀態(tài)如表1 所示。其中，La、Lb、Lc、Ld 表示指示燈，指示燈亮為1，不亮為0；A、B、C、D 為開關(guān)，按下閉合為1，否則，為0，×表示既可以為1 也可以為0。

表1 搶答器邏輯狀態(tài)表

根據(jù)邏輯狀態(tài)表得出，四人中只要有一人先搶答，其他人無論怎么操作指示燈都不亮，因此，可以通過四變量輸入的與非門和非門相結(jié)合。四輸入與非門其中一個(gè)輸入對應(yīng)一個(gè)開關(guān)的輸入，其他三個(gè)輸入接另外三路與非門輸出，然后，在每個(gè)與非門的輸出端再接一個(gè)非門與指示燈連接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)只有一人搶答成功的電路。

5.2 搶答器的電路設(shè)計(jì)及仿真

在Multisim 軟件中，我們設(shè)計(jì)電路，首先，要找出需要的元器件和設(shè)備。電路中使用的非門這里選用的是TTL 系列中的74LS04 型號，四輸入與非門選用的是TTL系列的74LS20型號。在器件欄中找到放置晶體管邏輯（TTL）這個(gè)圖標(biāo)，然后點(diǎn)擊，出現(xiàn)如圖3 所示的界面，在系列中選中74LS，再在元件欄中選擇對應(yīng)所需要的74LS20或74LS04放置到工作區(qū)即可。而5V電源和地線在圖4中的組中選擇，系列中選擇，元件中選則所需要的地線為DGND，5V電源為VCC。開關(guān)和電阻都是在圖4 組中的基本元器件中，開關(guān)在系列中，在元件欄可以選擇相應(yīng)的SPST開關(guān)，也可以選擇其他的開關(guān)；電阻在系列中，在元件欄可以選擇所需阻值的電阻，也可以任選一個(gè)電阻放置到工作區(qū)后在修改阻值大小。指示燈在組系列中，元件中有各種顏色的指示燈，任選一種即可。也可以使用LED與電阻結(jié)合使用，LED在組系列中，元件中有各種顏色的LED 可以選擇。

圖3 器件選擇界面

圖4 搶答器電路圖

搶答器具體的電路接線如圖4 所示。

若J1、J2、J3 和J4 開關(guān)都打開，指示燈X1、X2、X3 和X4 都不亮。若開關(guān)J1 先按下，J2、J3 和J4 無論如何操作都只有X1 指示燈亮起，如圖5 所示。若開關(guān)J2 先按下，J1、J3 和J4 無論如何操作都只有X2 指示燈亮起。若開關(guān)J3 先按下，J1、J2 和J4 無論如何操作都只有X3 指示燈亮起。若開關(guān)J4 先按下，J1、J2 和J3 無論如何操作都只有X4 指示燈亮起。

圖5 J1 開關(guān)先按下的仿真結(jié)果圖

從上述仿真結(jié)果可以得出，該電路設(shè)計(jì)符合搶答器電路設(shè)計(jì)的要求。

6 結(jié)語

堅(jiān)持“立德樹人，以人為本”的高校教育理念，培養(yǎng)社會需要的人才為目標(biāo)。通過本次線上虛擬仿真的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的改革，不僅緩解了實(shí)驗(yàn)室緊缺的問題，最主要的是提高了學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣，給學(xué)生提供了人性化、實(shí)踐性、開放性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。使學(xué)生在學(xué)習(xí)晦澀難懂的數(shù)字電子技術(shù)理論知識時(shí)，可以通過對電路的虛擬仿真加深對相關(guān)器件和電路的理解。通過課程內(nèi)容和考核評價(jià)體系相結(jié)合，為培養(yǎng)研究型和應(yīng)用型人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。