基于虚拟仿真的数字电路实验教学改革实践

刘友江

遵义医学院医学信息工程系 贵州遵义 563003

基于虚拟仿真的数字电路实验教学改革实践

刘友江

遵义医学院医学信息工程系 贵州遵义 563003

阐述了采用网络化开放式虚拟仿真技术实现数字电路课程实验教学的实践过程。首先指出了该课程传统实验方式的种种弊端，然后指明采用虚拟仿真实验所具有的优势，最后介绍了虚拟仿真实验室的设计思路与总体构架。实践证明，采用该实验教学方式极大地提高了课程实验效果，提高了学生的学习质量。

虚拟仿真；数字电路；实验教学改革

数字电路是理工科电子电气、信息与计算机、通信、自动控制等专业必修的技术基础课，该课程不仅具有自身的理论体系且是一门实践性很强的课程。该课程的主要任务是解决数字电子电路技术入门的问题，使学生掌握数字电子电路的基本工作原理、分析方法和基本技能，为深入学习后续课程和从事有关电子技术方面的实际工作打下基础。

数字电路课程是我校信息与计算科学、医学信息工程专业的一门必修核心课。经过多年的理论与实验教学，我们感觉在该课程的实验教学方面必须进行教学改革和探索，因为随着时代的发展、科技的进步和学生招生人数的增加，传统的数字电路课程实验方式已经不能满足教学需求。以下对我校数字电路课程实验方式改革进行总结和梳理。

1 数字电路课程传统实验方式的弊端

数字电路课程不仅理论内容丰富，而且更重要的是实践性强。学生在学完相关理论内容后，如果有一个很好的实验平台能够对所学理论内容进行及时验证，教学效果会非常理想。对那些学有余力而且对数字电路有兴趣的学生让他们在平台上进行自主的后期设计、开发，发挥自己的聪明才智，对培养学生的创新精神、提高学生的动手实践能力非常有帮助的。然而，非常遗憾的是，传统的实验方式几乎不能满足这些要求。传统的数字电路实验方式主要有以下弊端。

(1)实验室建设前期投入大，后期维护费用高、损耗大，实验教学资源难以做到全方位对学生开放。图1为我校实验室数字电路课程实验室。

图1 实验室实况

(2)实验过程受时间、地点、人力、实验空间等各种因素的限制(如图2所示)，教师指导难以到位，有限的教师很难在有限的时间内细致地指导大批的学生，不仅教学目标难以达到，而且设计性和探究性实验更难以开展。有限的实验课时无法充分实验，导致实验效果差，实验操作训练不足，创新能力难以提升。如果我系以后再增加招生专业，该课程的实验在现有条件下将难以满足要求。

图2 学生实验中损坏的芯片

(3)理论教学与实验教学分离。

(4)评价与考核实验效果的手段单一。

(5)实验设备故障频发，严重时影响正常教学。实验失败时难以检查原因，打击学生实验积极性，增加实验指导教师的工作量。

(6)实验室设备升级不方便。老旧设备只能报废，升级购置新设备，增加学校经济负担。

2 仿真虚拟实验室的优势

由于传统采用硬件实体进行数字电路课程实验存在诸多的缺点，我们可以充分利用网络技术、计算机技术与虚拟现实技术构建一个全新的实验空间。这种仿真型虚拟开放实验室是一种运用虚拟现实技术模拟真实实验的计算机教学软件。它采用多媒体技术在计算机上建立虚拟实验室环境，提供可操作的虚拟实验仪器，使学生在互联网上通过接近真实的人机交互界面完成实验，同时还提供网络实验教学的一体化管理功能。与传统实验方式比较，这种新型的实验方式具有以下优势。

(1)弥补了实验经费不足造成的遗憾。

(2)网络化架构使实验不受时间与地域的限制。

液体饲料的研制和应用在我国刚刚起步。随着发酵乙醇工业的发展，粉浆类副产品将大量增加。随着谷物价格上涨，副产品利用的经济效益增加。随着环保压力、减抗替抗压力的增加，液体饲料的应用将大幅度增加。在液体饲喂系统中，原料的质量、粉碎粒度，水料比须根据饲喂对象进行适当调整。当前对液体饲喂的研究主要停留在生产性能方面，液体饲料原料数据库、营养标准、品质控制等研究等还需要系统性深入。

(3)为学生营造一个自主的实验环境。作为一种开放式的网络实验室，可让学生根据自身兴趣，搭建自己的实验环境和模式，为加强学生自主式学习、提高学生的动手能力提供了良好的平台。

(4)具有良好的互动性。网络化实验室可以让学生与学生、学生与教师方便地进行远程互动实验、交流实验心得，教师也可以方便地对学生进行实验指导、监督和考核。

(5)便于维护和实验教学管理。

(6)保证实验的先进性与前瞻性。对应软件升级即可实现新的实验方法。

(7)有利于学生开展探索性、研究性实验。

3 实验室设计与总体架构

实验室由五大部分组成：客户端实验平台、实验室教学管理系统、服务器应用软件、中央数据库和BBS论坛。

3.1 客户端实验平台

(1)虚拟实验平台是学生进行实验操作的平台，它是在微机上实现的与硬件实体实验设备相同功能及操作方式的仿真系统。它将实验对象按知识体系切割为一个个独立的模块，学生可以按照自己的意愿将各个模块以不同的方式进行组合，以完成既定实验或搭建出不同的功能系统。

(2)创新实践子系统内置完整的二次开发及创新设计模块，主要是MatLab仿真调用接口，方便学有余力的学生进行扩展和创新。

(3)即时通信子系统主要是为了让学生拥有不受时间、地点限制的实验环境，使实验室真正的完全开放，让该系统具有网络化功能。这样不仅让学生可以上传提交实验报告，还可以方便教师查看完整的实验环境和结果，甚至还可以让多个学生联机共同搭建有信号收发的系统进行实验。

图3 虚拟实验平台界面

3.2 实验室教学管理系统

实验室教学管理系统安装并运行在服务器端，是对实验室进行教学管理的平台(如图4所示)。在这个平台上，教师可以上传实验大纲及相关资料，也可以在线对学生提交的实验数据及报告进行批阅并评分；学生可以对实验进行预习并提交预习报告、在线上传实验报告、查询成绩；管理员可以完成录入教师及学生信息、汇总报表、权限设置管理等。

图4 实验室教学管理功能示意图

3.3 服务器应用软件

主要完成授权认证、远程协助及对客户端的支持等功能。

3.4 中央数据库

主要是负责与实验相关数据的管理。3.5 BBS论坛

提供用户间的信息交流平台。

4 结束语

我校的数字电路课程实验自采用虚拟仿真开放式实验系统以来，不论是该课程的实验教师还是学生，对这种实验教学改革的好处都有切身体会。传统实验方式所存在的弊端在新型实验中都得到了很好的解决。

在实验教学方面，有网络的地方就可以做实验，且支持学生网上预习，对实验设备、测试仪器的操作能提前熟悉，大大增强实验效果。此外，教师的实验教学指导负担大大减轻。

在理论教学方面，可在课堂上进行实验教学，使理论教学与实验教学融为一体。

在创新设计方面，该实验系统提供了一个可供使用者自由发挥的空间，使之能够根据各自的创意设计并验证各种充分体现个性的实验方案，大大提升学生的创新兴趣和动手能力。

在实验室的未来发展、升级方面，由于该平台支持二次开发，因此，教师完全可以开发自己想要的模块，也可以将自己开发的功能以第三方插件的形式进入该平台，从而提升系统功能升级。

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Liu Youjiang
Zunyi Medical College, Zunyi, 563003, China

This article expound the experimental teaching reform of the Digital Circuit course. This article firstly analyzed the existing problems in the experimental teaching of the course, in which the traditional experimental methods was used; secondly, demonstrated the advantagesof adopting visual simulation， fnally， introduced the design ideas and the overall framework of the visual experimental system. The practical results show that the experimental teaching reform can greatly improve the experimental effects of the course and the education quality to the students.

visual simulation; digital circuit; experimental teaching reform

Experimental Teaching Reform of Digital Circuit Based on Visual Simulation

2014-10-14

刘友江，讲师，硕士。