基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字電路課程教學改革與實踐

易向東

摘 要：本文對數(shù)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(shù)字電路的課程內(nèi)容，提出數(shù)字電路教學改革思路，努力構(gòu)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(xiàn)代電子專業(yè)實驗室的內(nèi)涵和外延，對現(xiàn)代數(shù)字電路課程教學和實驗研究起到了有力的促進作用。將數(shù)字電路的實驗項目同虛擬仿真技術(shù)有效結(jié)合，是進行數(shù)字電路課程教學改革的趨勢所在。

關(guān)鍵詞：數(shù)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(shù)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(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。該內(nèi)容理論性特別強，掌握數(shù)字電路分析的基本方法和基本技能，能給后續(xù)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(shù)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(shù)，在計算機上搭建一個適合學生學習數(shù)字電路課程的平臺[3]。

1 為什么要引入虛擬仿真技術(shù)

由于教材的單一，內(nèi)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(xiàn)實教學中讓老師學到新的教學技術(shù)，認識到新的虛擬仿真技術(shù)教學模式，學生也可以接觸到新的虛擬仿真教學技術(shù)。很顯然只有與現(xiàn)代社會技術(shù)息息相關(guān)，緊緊跟隨科技的腳步，引進虛擬仿真技術(shù)，才能更好地完成知識的傳教，還能從根本上激發(fā)學生的學習熱情和老師的教學熱情[4]。在課堂教學的應(yīng)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(xiàn)對相關(guān)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(xiàn)信息[5]。從而把握其對應(yīng)著的運用實現(xiàn)。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(xiàn)相關(guān)知識的學習操作。

在實驗教學中，學生需要訓(xùn)練自主設(shè)計實驗和使用電子設(shè)備的綜合能力，而一般現(xiàn)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(nèi)容[6]。這時候使用虛擬仿真軟件就能夠很好地對實驗室內(nèi)容實現(xiàn)拓展，給出更多選擇的電子線路以及芯片類型，可以設(shè)計出任何想要實現(xiàn)的電路，以此檢驗相關(guān)內(nèi)容的準確效果。同時，借助軟件的組態(tài)效用，用恰當?shù)耐獠烤€路能夠得到各類型的運用實現(xiàn)的效果。

2 虛擬仿真平臺的建立與實施

第一步：安裝相應(yīng)的虛擬仿真技術(shù)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(guān)知識的培訓(xùn)。

第三步：根據(jù)課程教學大綱進行虛擬仿真實驗教學內(nèi)容的設(shè)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(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)體系的管制和優(yōu)化，任教老師對相應(yīng)的虛擬仿真技術(shù)軟件的應(yīng)用、故障分析、故障處理等要有良好的理解。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的要求，對各類服務(wù)器進行擴展實驗，并能應(yīng)對各種突發(fā)事件。有必要對操作系統(tǒng)的設(shè)定和管理實施有效地運用進行完善工作。

其二是對其網(wǎng)絡(luò)組成環(huán)境實現(xiàn)有效地確保安排。不單單要對各類技術(shù)內(nèi)容實現(xiàn)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(tǒng)集成最有效的網(wǎng)絡(luò)安全工具，如數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)防火墻、殺毒軟件、網(wǎng)絡(luò)嗅探、入侵檢測、數(shù)據(jù)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(shù)字電路虛擬仿真實驗教學應(yīng)用的開發(fā)

在開發(fā)實施實驗平臺的構(gòu)建期間，完成了三個階段的工作。（1）根據(jù)確定的典型項目的典型工作任務(wù)和學習任務(wù)的設(shè)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(shè)備的清單；（2）以模塊化設(shè)計理念的借鑒，對選取的硬件設(shè)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(jié)構(gòu)，數(shù)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(shè)計，脈沖信號發(fā)生器等模塊內(nèi)容組成；（3）選取Multisim 10軟件為虛擬實驗教學平臺的開發(fā)環(huán)境，在Multisim 10仿真環(huán)境下施行各模塊電路設(shè)計、編譯設(shè)計，功能模塊和各種典型的學習任務(wù)。在Multisim 10開發(fā)平臺下完成各數(shù)字電路的設(shè)計和調(diào)試工作。

4 虛擬仿真教學模式的構(gòu)建

參照混合式學習理論以及建構(gòu)主義學習理論相關(guān)內(nèi)容的知識，并聯(lián)系新課程改革給出來的教學要求來實施模式的構(gòu)架工作，運用信息化相關(guān)內(nèi)容來實現(xiàn)探究模式的有效構(gòu)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(huán)境中心模型的控制下，圍繞中心的四個環(huán)節(jié)形成一個環(huán)形序列[9]。以下以多路彩燈項目為例，介紹了該模型的實現(xiàn)過程。

多路彩燈項目是學生完成對數(shù)字線路內(nèi)容涉及以及知識開發(fā)運用的重要學習項目。在項目設(shè)計中的兩個74芯片產(chǎn)生的三態(tài)模型三計數(shù)器，16個周期的CP。用一個74161芯片給出來的co輸出部分實現(xiàn)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(tài)都是連續(xù)作用到16個cp周期。兩片194芯片構(gòu)成顯示電路，對8燈實施輸出管控的是74194對應(yīng)的8個輸出部分。4個輸出端口兩個74得到的3個狀態(tài)，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(shù)字電路的最小系統(tǒng)，了解數(shù)字電路的設(shè)計開發(fā)過程中，程序的設(shè)計方法和逐步掌握數(shù)字電路的知識系統(tǒng)。借助此類教學內(nèi)容來加強學生在發(fā)展效能、團隊協(xié)作以及創(chuàng)造方面的力量，系統(tǒng)地培養(yǎng)學生的發(fā)展能力、團隊合作能力和創(chuàng)新能力。

根據(jù)項目的目標，在“項目引入”的一部分，教授者需要擔負的任務(wù)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(guī)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(xié)作學習，具體安排完成時間和評價結(jié)果等內(nèi)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(wù)，獨自或通過小組合作完成學習任務(wù)，通過需要完成的任務(wù)，學習到相應(yīng)的專業(yè)知識和自己預(yù)期完成任務(wù)時能達到的水平，準備相關(guān)的學習資源。

在“制定計劃”部分需要學生參照小組內(nèi)具體的執(zhí)行情況等，完成目標實驗內(nèi)容，并對相應(yīng)的實驗探究所需操作進行分析，明確對應(yīng)的知識內(nèi)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(jù)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(guān)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(guī)劃來實施具體操作任務(wù)的執(zhí)行工作，借助平臺，老師能夠很好地對學生實施引導(dǎo)交互工作[10]。學生通過相關(guān)理論來實施操作，建構(gòu)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(shù)的應(yīng)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(xùn)。還有就是教師在講解時一定要配合現(xiàn)在社會對于這個課程的實際運用，時時聯(lián)系實際，才能讓學生學到知識時與現(xiàn)在的實際聯(lián)系起來，這才是學到真知識。

第二，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在計算機系統(tǒng)上可能會突發(fā)故障，所以需要多置備幾套工具，并且學校應(yīng)該配置幾名相應(yīng)的維護人員?？梢允亲屜嚓P(guān)的教師定期參加相應(yīng)的培訓(xùn)。希望虛擬仿真技術(shù)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(lián)系在一起。

6 結(jié)論與建議

本文對數(shù)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(shù)和數(shù)字電路實驗聯(lián)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(guān)的教學安排內(nèi)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(lián)系起來，構(gòu)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(nèi)容，而且所需要的投入也大量的縮減，更好地實現(xiàn)了綜合實驗以及功能實驗等的需求。因此，努力構(gòu)建成熟的虛擬仿真實驗平臺，可以借助相關(guān)虛擬仿真軟件來將實驗操作更好地模擬出來，擴大現(xiàn)代實驗室的內(nèi)涵和外延，對現(xiàn)代數(shù)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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