基于虚拟仿真技术的数字电路课程教学改革与实践

易向东

摘 要：本文对数字电路课程教学改革进行深入的研究，在教学过程中，为了有效提高学生学习的兴趣，更好地掌握数字电路的课程内容，提出数字电路教学改革思路，努力构建成熟的虚拟仿真平台，借助虚拟仿真软件来将实验操作更好地仿真出来，扩大现代电子专业实验室的内涵和外延，对现代数字电路课程教学和实验研究起到了有力的促进作用。将数字电路的实验项目同虚拟仿真技术有效结合，是进行数字电路课程教学改革的趋势所在。

关键词：数字电路 虚拟仿真 实践 课程改革

中图分类号：TN79 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（a）-0225-02

数字电路课程是电子信息工程，电气自动化，机械制造及自动化等工科专业的一门专业基础课[1]。该内容理论性特别强，掌握数字电路分析的基本方法和基本技能，能给后续深入探究学习和工作予以坚实的理论积淀。这门课程的实验教学以往都是在硬件上进行的，学生完成了理论课，使用实验平台进行实验操作[2]。如果学生能够在一个虚拟仿真平台进行对所学的知识实际模拟操作，学生可以对数字电路知识有更深刻的理解，对知识做到学以致用。因此，这就非常需要引进虚拟仿真技术，在计算机上搭建一个适合学生学习数字电路课程的平台[3]。

1 为什么要引入虚拟仿真技术

由于教材的单一，内容的冗杂等原因，学生缺乏学习热情，学生学习不到深刻的知识，而且还影响到教师的教学。这时就需要寻找一種既能在现实教学中让老师学到新的教学技术，认识到新的虚拟仿真技术教学模式，学生也可以接触到新的虚拟仿真教学技术。很显然只有与现代社会技术息息相关，紧紧跟随科技的脚步，引进虚拟仿真技术，才能更好地完成知识的传教，还能从根本上激发学生的学习热情和老师的教学热情[4]。在课堂教学的应用上，对集成线路以及门线路的教学期间，能够在课上就借助软件来实现对相关线路的模拟操作，如此学生们就能更好地去感知到线路作用原理情况以及各类芯片实施操作的具体实现信息[5]。从而把握其对应着的运用实现。这样，整个教育工作就是从原则到运用，从单一到繁杂，从抽象到实际，逐步实现相关知识的学习操作。

在实验教学中，学生需要训练自主设计实验和使用电子设备的综合能力，而一般现有的实验室只可以做一些相对简单的验证性实验，不能做有特定需求以及综合效用的实验内容[6]。这时候使用虚拟仿真软件就能够很好地对实验室内容实现拓展，给出更多选择的电子线路以及芯片类型，可以设计出任何想要实现的电路，以此检验相关内容的准确效果。同时，借助软件的组态效用，用恰当的外部线路能够得到各类型的运用实现的效果。

2 虚拟仿真平台的建立与实施

第一步：安装相应的虚拟仿真技术软件，选择适合课程需要的虚拟仿真软件。

第二步：安排任课老师进行虚拟仿真软件相关知识的培训。

第三步：根据课程教学大纲进行虚拟仿真实验教学内容的设计。

在利用虚拟仿真软件进行教学时，要注意以下几个方面。

其一是对现阶段的网络实现体系的管制和优化，任教老师对相应的虚拟仿真技术软件的应用、故障分析、故障处理等要有良好的理解。根据网络操作系统的要求，对各类服务器进行扩展实验，并能应对各种突发事件。有必要对操作系统的设定和管理实施有效地运用进行完善工作。

其二是对其网络组成环境实现有效地确保安排。不单单要对各类技术内容实现高效率地运用，还要确保整个实施期间的安全效用[8]。虚拟仿真系统集成最有效的网络安全工具，如数据库、网络防火墙、杀毒软件、网络嗅探、入侵检测、数据加密之类，安装这些能确保实验平台安全性、完整性、有效性地开展实验活动，避免不必要的干扰和损害。

3 数字电路虚拟仿真实验教学应用的开发

在开发实施实验平台的构建期间，完成了三个阶段的工作。（1）根据确定的典型项目的典型工作任务和学习任务的设计，明确各组件和工具的选择，同时准备完成实验所需仪器等硬件设备的清单；（2）以模块化设计理念的借鉴，对选取的硬件设备进行分类与整合，确定虚拟实验教学平台的模块组成和教学体系结构，数字电路实验教学平台包括组合逻辑电路、时序逻辑电路的设计，脉冲信号发生器等模块内容组成；（3）选取Multisim 10软件为虚拟实验教学平台的开发环境，在Multisim 10仿真环境下施行各模块电路设计、编译设计，功能模块和各种典型的学习任务。在Multisim 10开发平台下完成各数字电路的设计和调试工作。

4 虚拟仿真教学模式的构建

参照混合式学习理论以及建构主义学习理论相关内容的知识，并联系新课程改革给出来的教学要求来实施模式的构架工作，运用信息化相关内容来实现探究模式的有效构建。该模型由“项目引入、制定计划、实施计划”和“展览与评估”四部分组成，在虚拟仿真环境中心模型的控制下，围绕中心的四个环节形成一个环形序列[9]。以下以多路彩灯项目为例，介绍了该模型的实现过程。

多路彩灯项目是学生完成对数字线路内容涉及以及知识开发运用的重要学习项目。在项目设计中的两个74芯片产生的三态模型三计数器，16个周期的CP。用一个74161芯片给出来的co输出部分实现对74芯片给出来的clk输入部分的管控操作，如此确保各状态都是连续作用到16个cp周期。两片194芯片构成显示电路，对8灯实施输出管控的是74194对应的8个输出部分。4个输出端口两个74得到的3个状态，4个输出端口被用来控制左、右移位控制终端。通过本项目的学习，使学生学会建立在数字电路的最小系统，了解数字电路的设计开发过程中，程序的设计方法和逐步掌握数字电路的知识系统。借助此类教学内容来加强学生在发展效能、团队协作以及创造方面的力量，系统地培养学生的发展能力、团队合作能力和创新能力。

根据项目的目标，在“项目引入”的一部分，教授者需要担负的任务是：其一，跟随着仿真平台的帮助下，对具体的实例安排以及目标确定等做好规划，给定具体的学习要求；其二，基于学生的已有知识和能力水平充分考虑，借助分组对学生进行协作学习，具体安排完成时间和评价结果等内容；其三，为学生提供必要的学习资源。

学生的活动主要是通过观察和分析，明确具体的任务，独自或通过小组合作完成学习任务，通过需要完成的任务，学习到相应的专业知识和自己预期完成任务时能达到的水平，准备相关的学习资源。

在“制定计划”部分需要学生参照小组内具体的执行情况等，完成目标实验内容，并对相应的实验探究所需操作进行分析，明确对应的知识内容运用情况等，做出基于虚拟仿真平台的决策，划定具体实验操作的实施步骤。根据虚拟仿真平台194左右键控制左移位的194芯片的右移顺序等施行相关操作。为实验的实施做好准备。

在该方案的施行过程中，需要学生参照给定的规划来实施具体操作任务的执行工作，借助平台，老师能够很好地对学生实施引导交互工作[10]。学生通过相关理论来实施操作，建构知识，形成知识教学与实践运用的一体化。

5 教学实践常见问题和解决方案

第一，可能新技术的应用会使得刚开始接触的老师不是很熟悉，需要参加一定的培训。还有就是教师在讲解时一定要配合现在社会对于这个课程的实际运用，时时联系实际，才能让学生学到知识时与现在的实际联系起来，这才是学到真知识。

第二，虚拟仿真技术应用在计算机系统上可能会突发故障，所以需要多置备几套工具，并且学校应该配置几名相应的维护人员。可以是让相关的教师定期参加相应的培训。希望虚拟仿真技术教学模式的实践能让我们的教师与学生与时俱进，在不断学习新知识的同时也能跟实际社会紧紧联系在一起。

6 结论与建议

本文对数字电路教学实践中存在的诸多不足之处进行了分析，从多方面探讨了实际教学期间需改进的地方，明确了将虚拟仿真技术和数字电路实验联系起来的教学模式。在课堂教学中，我们给出了许多同此学科相关的教学安排内容；在实验教学中，借助具体的虚拟仿真软件，将实验教学与仿真实验有效联系起来，构建功能更加强大的虚拟仿真试验室。不但增加了实验可实施的操作内容，而且所需要的投入也大量的缩减，更好地实现了综合实验以及功能实验等的需求。因此，努力构建成熟的虚拟仿真实验平台，可以借助相关虚拟仿真软件来将实验操作更好地模拟出来，扩大现代实验室的内涵和外延，对现代数字电路课程教学和实验研究起到了有力的促进作用。

参考文献

[1] 蒙俊健，谈文洁.数字电路分析与三维虚拟仿真软件开发[J].职业，2017（1）：114-115.

[2] 赵娟.基于虚拟仿真的数字电子实验教学改革与实践[J].科技资讯，2016（29）：82-83.

[3] 郭晓春.虚拟仿真技术对实验教学的影响[J].科教导刊，2017（1）：115-116.

[4] 江汇，鲁璇.虚拟仿真在实训的研究[J].科教导刊，2017（1）：101-102，129.

[5] 刘友江.基于虚拟仿真数字电路教學改革实践[J].中国现代教育装备，2015（5）：90-92.

[6] 陈恒.虚拟仿真技术在电子类课程中的应用研究[J].实验室科学，2015（3）：59-61.

[7] 张伟凯.基于实时数字仿真及三维虚拟现实的教学的开发与应用[D].山东大学，2014.

[8] 莫琳.数字电路课程实验教学的探索与实践[J].中国电力教育，2013（14）：122-123.

[9] 李松湘.虚拟仿真技术在电子技术课程教学中的应用研究[D].湖南师范大学，2012.

[10]张华.仿真技术在模拟电路教学中的应用研究[D].山东师范大学，2011.