虛擬仿真軟件在硬件類課程教育中的應(yīng)用實踐研究

陳靜 于雅楠

[摘 要] 針對硬件類課程教學(xué)的特點及課堂教學(xué)中存在的主要問題，研究了兩類虛擬仿真軟件Multisim11.0和Proteus在不同工科硬件類課程中的實踐方式，闡述了虛擬仿真軟件在課堂教學(xué)的輔助作用。虛擬仿真可以輔助實踐教學(xué)，使課堂教學(xué)過程接近真實，仿真實例及演示操作使學(xué)生在課堂中更容易接受和理解所學(xué)知識，而且脫離硬件實驗室，學(xué)生可以自己通過仿真模擬去體會課堂上所講的原理知識，在實踐操作時可以做到心中有數(shù)，達到較好的學(xué)習(xí)效果。虛擬仿真軟件的出現(xiàn)，提高了學(xué)生對硬件類專業(yè)課程的理解和學(xué)習(xí)興趣，能有效改善實踐教學(xué)效果。

[關(guān) 鍵 詞] 虛擬仿真軟件；計算機輔助教學(xué)；模擬實驗

[中圖分類號] G712 [文獻標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）03-0096-02

一、引言

電子信息類專業(yè)屬于傳統(tǒng)工科類專業(yè)，包含多個專業(yè)方向，如計算機、自動化、電子工程等，該類專業(yè)課程最大的特點就是課程應(yīng)用性和操作性較強，知識較為抽象，在教學(xué)過程中存在教師教著費力，學(xué)生聽起來也比較枯燥難懂的問題，而且純理論的課堂講授顯然不利于知識的掌握。

我們所在院校比較重視實踐教學(xué)，每門課程都安排了相應(yīng)的實驗學(xué)時，但實驗時間占總學(xué)時的比例仍然不高，如表1所示。在培養(yǎng)方案修訂過程中為了鼓勵學(xué)生有足夠的課余時間進行各類創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，適當(dāng)減少了理論課程的總學(xué)時，但是實驗學(xué)時并沒有減少。

實驗學(xué)時在課程中的比重逐漸提高，體現(xiàn)了學(xué)?！皠邮謩幽X、全面發(fā)展”的教學(xué)理念以及學(xué)校對實踐教學(xué)工作的重視。由此可見，實踐教學(xué)的好壞影響整個教學(xué)效果，特別是對工科硬件類課程的教學(xué)更為重要。實驗室的實踐教學(xué)時間有限，需要我們不斷進行實踐教學(xué)方法的創(chuàng)新，更好地服務(wù)于教學(xué)，虛擬仿真平臺[1，2，3]的出現(xiàn)，使我們有效解決了這一問題。虛擬仿真平臺可以使教師和學(xué)生在脫離實驗室環(huán)境下有效地學(xué)習(xí)使用理論課程中所學(xué)的各類硬件的器件，如Multisim和Proteus軟件。

二、虛擬仿真平臺及應(yīng)用案例

（一）Multisim軟件

1.軟件介紹

Multism[4]是美國NI公司推出的一款功能強大的EDA軟件，提供了非常強大的虛擬仿真功能。如果在數(shù)字電子技術(shù)和數(shù)字邏輯等硬件類課程中引入Multism的虛擬仿真平臺，能夠為學(xué)生展示更加直觀的邏輯分析功能，便于學(xué)生加深對復(fù)雜電路的學(xué)習(xí)與理解，在一定程度上有利于提高課堂教學(xué)質(zhì)量，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

2.實例分析

在數(shù)字電子技術(shù)中有一部分重要內(nèi)容就是組合邏輯電路的設(shè)計，在講解這部分內(nèi)容時，如果僅僅是課堂的理論講解，大家不能體會具體電路是什么形態(tài)，只有進入實驗室才能學(xué)習(xí)真正的設(shè)計，用實際的電路去驗證所設(shè)計電路的正確性。為了在課堂上能夠驗證所設(shè)計電路的正確性，在教學(xué)中引入了Multism虛擬仿真平臺，通過該平臺搭建實際的電路，如圖1所示為三評委表決器的組合邏輯電路的仿真圖，通過開關(guān)模擬三個評委的表決情況，用輸出的指示燈來觀測不同表決情況下的表決結(jié)果，驗證所設(shè)計電路的正確性。

（二）Proteus軟件

1.軟件介紹

Multism在電路設(shè)計與仿真中較為適用，而Proteus軟件[5]將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件進行了綜合，不僅可以對電路進行仿真和模擬，對單片機類的處理器芯片也能夠很好地進行仿真，其處理器模型支持8051、HC11、AVR、ARM、8086和MSP430等，Proteus能建立完整的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境，可與Kei軟件進行聯(lián)合仿真調(diào)試，在單片機系統(tǒng)的開發(fā)和學(xué)習(xí)中發(fā)揮了重要作用，在課堂教學(xué)中可以將該軟件用于單片機系統(tǒng)的仿真，給學(xué)生提供更為直觀的學(xué)習(xí)體驗。

2.實例分析

單片機原理與應(yīng)用課程中51單片機常用接口是理論向應(yīng)用過渡的一部分重點內(nèi)容，其中的鍵盤和顯示部分是單片機應(yīng)用系統(tǒng)輸入和輸出的兩個重要組成部分，為了使學(xué)生直觀地理解該部分內(nèi)容的知識，在Proteus7中利用按鍵BUTTON組件、AT89C51組件和2位的7段數(shù)碼管組件進行仿真系統(tǒng)的搭建，實現(xiàn)按鍵次數(shù)的統(tǒng)計，C51的程序在Keil軟件中進行編譯調(diào)試，生成LED2.hex的二進制代碼，通過在仿真模型中添加編譯好的hex文件實現(xiàn)程序的下載，如圖（2b）所示。通過該仿真模型，學(xué)生可學(xué)習(xí)的知識點包括：數(shù)碼管的顯示（靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示）、通用I/O接口的使用、按鍵的去抖動處理過程、外部中斷的處理等。

（a）仿真模擬電路 （b）程序的加載

（三）Multisim和Proteus軟件對比分析

Multisim和Proteus都可以對一些電路進行模擬，但是兩款軟件都有自己的適應(yīng)領(lǐng)域，對比如表2所示。

三、總結(jié)

本文針對硬件類課程教學(xué)過程中存在的問題，引入虛擬仿真平臺，對Multisim和Proteus軟件在兩門主要課程數(shù)字電子技術(shù)和單片機原理與應(yīng)用中的應(yīng)用進行了實踐探索，分析了兩款軟件的特點，并對其適用課程進行了分析，通過在課程教學(xué)中的實踐研究發(fā)現(xiàn)，采用虛擬仿真實驗平臺能夠彌補實驗學(xué)時不夠課堂講授的不足，達到了較好的教學(xué)效果，值得在該類課程中進行應(yīng)用。

參考文獻：

[1]翟宏宇，趙建平，底曉強，等.基于虛擬仿真平臺的計算機網(wǎng)絡(luò)課程實踐教學(xué)[J].計算機教育，2015（17）：6-9.

[2]杜月林，黃剛，王峰，等.建設(shè)虛擬仿真實驗平臺探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J].實驗技術(shù)與管理，2015（12）：26-29.

[3]孫界平，琚生根，陳黎，等.計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2017，34（8）.

[4]隋濤，李歡歡，錢博，等.Multisim12在時序邏輯電路教學(xué)中的應(yīng)用[J].自動化與儀器儀表，2015（2）：218-219.

[5]王瑾，袁戰(zhàn)軍.虛擬仿真技術(shù)在單片機課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2016（1）：45-47.