实物在环实时仿真教学法研究

摘  要：新工科背景下，为培养学生创新实践能力，建设国家级一流本科课程，提出了一种新型的适用于电子技术基础课程的教学方法——实物在环实时仿真教学法，应用于北航数字电子技术基础课程。通过口袋仪器和实际硬件进行数字电路设计，可解决虚拟仿真的真实性问题，培养学生解决复杂工程问题的能力；通过虚拟仪器展示波形，使知识难点可视化，有助于学生更快、更深刻理解。实践表明，这种方法取得了良好的教学效果，提高了教学质量。通过该教学方法学生获得了更丰富的学习体验，培养了创新实践能力。

关键词：实物在环仿真；口袋仪器；数字电路设计；虚拟仪器；知识难点可视化

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）02-0106-05

Abstract： Under the background of new engineering， in order to cultivate students' ability of innovation and practice and build a national first-class undergraduate course， a new teaching method suitable for the basic course of electronic technology， the hardware-in-loop real-time simulation teaching method， is proposed， which is applied to Fundamentals of Digital Electronic Technology course of Beihang University. Through the digital circuit design of pocket instrument and actual hardware， the authenticity of virtual simulation is solved， and the ability of students to solve complex engineering problems is cultivated. In addition， through the virtual instrument display waveform， the knowledge difficulties can be visualized， helping the students understand faster and deeplier. The practice shows that this method improves teaching quality. Through this kind of hardware-in-loop real-time simulation teaching method， students get a richer learning experience in the course of Fundamentals of Digital Electronic Technology， and are cultivated to have the ability of innovation.

Keywords： hardware-in-loop simulation; pocket bench; digital circuit design; virtual instrument; visualization of knowledge difficulties

“新工科”是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育改革方向[1]。为响应国家号召，进一步推动工程教育改革创新，加快建设新工科，2017年2月开始，教育部多次召开新工科建设研讨会，达成新工科建设“复旦共识”，构建了新工科建设“天大行动”，制定了新工科建设“北京指南”，标志着我国高等工程教育进入了新阶段[2-3]。2018年6月，教育部在新时代全国高等学校本科教育工作会议上首次提出“金课”概念，并提出一流本科课程的“两性一度”要求。对于北京航空航天大学自动化这类工科专业，其目标都是培养学科基础厚、工程能力强、综合素质高的创新型人才。

数字电子技术课程是自动化、电子信息、人工智能、通信等专业重要的核心工程基础课，在电类课程体系中具有重要的作用。该课程以逻辑代数为基础，逻辑性强，内容丰富且较抽象，实践性强，工程应用广，且与现代电子技术发展紧密相连[4]。

为在新工科背景下培养学生解决复杂工程问题的综合实践能力和创新思维、自主学习和创新意识，推进现代信息技术与教学深度融合，引导学生选择与使用恰当的技术、资源、工具，进行数字系统设计，建设一流本科课程，北京航空航天大学数字电子技术基础教学团队秉承以学生为中心、成果为导向的研究性教学理念及国际工程教育理念，在教学内容、教学方式方法和考核方式等方面不断改革和研究，多年探索形成了线上MOOC教学、线下研究性课堂教学、项目驱动过程教学、创新实验教学四位一体的线上线下混合教学模式，被评为“国家级线上线下混合式一流本科课程”。

在数字电子技术的线下研究性教学过程中，采用案例法、项目法等培养学生工程实践能力，使用虚拟仿真技术作为教学手段，主要使用Proteus、Multisim虛拟仿真软件。这些软件已经广泛应用于数字电子技术的理论课程的课堂教学和项目实践中，可用于模拟和验证各种数字电路，包括组合逻辑电路、时序电路、模拟与数字转换电路等[5-9]。本课程在基于案例的研究性教学及项目驱动过程教学中，学生通过Proteus、Multisim虚拟仿真软件，建立数字电路模型并实时验证其功能与性能，加深了对数字电路原理的理解，获得丰富的实践和学习体验。然而，在实际教学中，发现虚拟仿真技术在数字电子技术课程中存在真实性问题。虚拟仿真虽然能够模拟数字电路的行为，但与实际硬件相比仍存在一定的差异，仿真结果可能不正确，这可能导致学生理论学习的困惑，以及在实际操作时面临新的挑战。

近几年，随着微电子技术、传感器技术等领域的快速发展，口袋仪器的性能得以提升，种类和应用范围得到了扩展。口袋仪器作为一种体积小巧、轻便的便携式仪器设备，已广泛应用于电子工程、通信、医疗、环境监测等领域[10]。因此，本文提出一种实物在环实时仿真教学方法，由实际硬件电路、口袋仪器、计算机组成的实物在回路仿真系统，对数字电路进行实时仿真与实时验证。这种口袋仪器小巧便携，而笔记本电脑也是每一个大学生的标配，所以，这套硬件系统在理论课堂使用非常方便。采用实物在环实时仿真教学方法与仅使用虚拟仿真软件相比，用实际硬件替代虚拟硬件，用虚拟仪器技术为数字系统提供虚拟信号源、虚拟示波器等，既能克服虚拟仿真的真实性问题，又方便学生随时随地进行数字电路设计与验证。

一  实物在环实时仿真教学法

针对数字电子技术课程实践性强、工程应用广的特点，采用案例法和项目驱动法进行理论课教学，我们设计了护士台呼叫显示系统、血型匹配系统、BCD码加法器、五人表决器、七人抢答器、温控报警器和图书馆人员进出控制系统等教学案例进行线下研究性课堂教学，设计了按钮时行人过街红绿灯控制电路、数字电子钟、出租车计价器、自动售货机等项目驱动过程教学。

在以往的理论教学中，采用Proteus或Multisim进行案例和项目仿真，但虚拟仿真虽然能够模拟数字电路的行为，但与实际硬件相比仍存在一定的差异，仿真结果可能不正確，存在真实性问题。近几年，随着微电子技术、传感器技术等领域的快速发展，以及由于新冠感染疫情期间不能线下上实验课，口袋仪器也逐渐应用起来。清华大学研发了HPI-1000plus多功能口袋仪器，应用于清华大学、北京科技大学、北京理工大学、天津大学等约10所高校的数字电路实验，以及电子设计竞赛中。

由于口袋仪器小巧便捷，我们将其引入到数字电子技术基础理论课堂，提出了实物在环实时仿真教学方法。实物在环实时仿真系统软硬件组成如图1所示，在DCLK-2000数字电路面包板上搭建实际数字电路，在计算机上运行“口袋实验室”应用软件，通过虚拟信号源和多功能口袋仪器产生数字电路的时序和控制信号；并实时采集数字电路的数字量或模拟量，通过多功能口袋仪器送至虚拟示波器观察电路中的波形和信号，或送至虚拟逻辑分析仪分析数字电路中的信号和时序，构成实物在回路的实时仿真系统，进行数字电路的设计与验证。

课程教学中，综合运用虚拟仿真和实物在环实时仿真方法，对教学案例和综合项目进行软硬件设计。引导学生建立项目工程化的思想，学习数字系统设计过程与项目开发方法，如图2所示，对实际逻辑问题进行分析，根据组合逻辑电路或时序逻辑电路的设计方法进行数字电路设计，画出逻辑电路图；用Proteus或Multisim软件进行虚拟仿真验证；若验证正确则用实物在环实时仿真法搭建硬件电路验证；若正确则进一步制作电路板，搭建并调试数字系统实际硬件电路，测试成功则完成实际数字电路的设计与验证。若任何一个步骤出现电路仿真验证与实际测试不正确时，都需查找原因，重新设计电路重复上述过程。对于功能简单的电路，可直接进行实物在环仿真，而不必进行虚拟仿真。在教学案例和综合项目的数字电路设计时，不必进行数字系统的搭建与测试。通过对数字电路的实物在环实时仿真，逐步强化学生逻辑思维，提升学生电路设计能力和工程实践能力。

二  教学案例实物化，克服虚拟仿真的真实性问题

（一）  虚拟仿真的真实性问题

在数字电路仿真过程中，我们发现了一个问题：对于图3所示电路，用2-5-10进制异步计数器74LS90实现计数器。用Proteus软件仿真是50进制计数器，计数范围为0～49，如图4所示；而用Multisim软件仿真结果是30进制计数器，当计数到49时，下一状态为20，如图5所示。两种不同软件仿真同一数字电路，得到不同结果，造成了学生困惑。这是由于仿真软件在模拟实际芯片或数字电路的行为时，建立的芯片数学模型和仿真模型不能与实际物理模型完全一致，导致仿真的芯片性能与实际硬件芯片存在一定的差异，会出现真实性问题。不同仿真软件的仿真模型建模粒度不同，结果可能不同。特别是对于异步时序电路，不仅仅需要考虑触发信号的上升沿或下降沿的到达时刻，还需考虑激励信号的建立时间、保持时间等因素，如果在虚拟仿真应用软件的器件建模和数字电路模拟中未充分考虑这些因素，都将会导致虚拟仿真与实际硬件相比仍存在一定的差异，导致虚拟仿真的不真实问题。这种问题不仅会在理论学习时引起学生的困惑，而且按虚拟仿真验证通过的电路设计在实际数字电路搭建时，实际操作测试与设计结果不一致，会面临新的挑战。

（二）  实物在环实时仿真案例

对于虚拟仿真的真实性问题，采用实物在环实时仿真教学法。用实际芯片74LS90在面包板上搭建上述数字电路，用LED灯显示两片计数器的状态。将面包板与口袋仪器相应引脚连接，口袋仪器通过USB接口连接计算机，如图6所示。

虚拟信号源输出占空比为50%的幅值为5 V的TTL信号，通过口袋仪器给计数器74LS90提供时钟信号，随着时钟信号触发脉冲的到来，74LS90的计数状态输出发生变化，通过LED灯实时显示。实时仿真结果显示计数器的计数状态变化为0～49，即为50进制计数器，而此时的计数值是通过实际芯片计数获得，是准确值。

实物在环实时仿真方法，用实际芯片代替虚拟仿真器件，克服了虚拟仿真真实性问题引起的数字仿真准确度不足的短板。同时，又利用了虚拟仪器技术，将信号源、示波器、逻辑分析仪等用仿真软件实现，将实验室装入口袋仪器，小巧便捷，可随时随地使用，方便在理论课堂上使用。实际使用时，对数字电路功能、性能影响较大且不易建模仿真的部分用实物搭建，构成实物在回路实时仿真系统，解决虚拟仿真的真实性问题。而对数字电路影响不大的部分采用虚拟仿真技术实现，减少实际硬件电路，易于实现。

基于DCLK-2000数字电路套件和HPI-1000plus多功能口袋仪器，采用实物在环实时仿真教学法，在数字电子技术基础理论课堂上，教学案例实物化，用实际芯片搭建硬件电路，进行教学案例的实现与验证，保证了数字电路的真实性与准确性，增加了学生学习兴趣，提高了教学效果。

三  知识难点可视化，促进知识快速深刻理解

针对数字电子技术课程内容抽象、难点多的特点，采用实物在环實时仿真教学法，通过虚拟示波器、虚拟逻辑分析仪，以及面包板上的七段码显示器、LED灯等实时显示数字电路状态，可使知识难点可视化，促使学生对知识难点快速深刻理解。

例如，门电路这一章的知识内容抽象难理解，因此，门电路部分是历年答疑最多的教学内容，也是MOOC课程上视频观看人数较多、观看时长较长的内容。这里以CMOS非门电路的电压传输特性和传输延时为例，介绍知识难点可视化方法。

（一）  CMOS非门电压传输特性

带输入保护电路的六路反相器CD4069UBE内部结构如图7所示[11]，其逻辑关系为G=■，此时可面包板上用六路反相器CD4069搭建非门数字电路，如图8所示，电源电压接5 V，注意非门的输入端不可悬空。

在电脑上，双击“口袋实验室”图标打开应用软件。点击虚拟信号源，设置参数产生峰值为5 V的三角波，通过口袋仪器的AO1引脚送至非门输入端A，并通过口袋仪器的AI1引脚送至虚拟示波器的通道A，将非门输出端G通过口袋仪器的AI2引脚接至虚拟示波器的通道B，用虚拟示波器测量非门输出端G与输入端A的波形如图9（a）所示，可以看到：当输入A为低电平时，PMOS管导通，NMOS管截止，输出G为高电平；当输入A为高电平时，NMOS管导通，PMOS管截止，非门输出G为低电平；当输入信号A在阈值电压2.5 V附近，即在2～3 V时，PMOS管和NMOS管同时导通，输出电压由两个MOS管的导通电阻分压获得，在阈值电压处发生快速翻转。

将虚拟示波器接成X-Y模式，可以得到该非门的电压传输特性曲线如图9（b）所示。

（二）  CMOS非门传输延时特性

用虚拟电压源给非门输入端A提供峰峰值为5 V，频率200 kHz的方波信号，将G和Z的信号分别送至虚拟示波器的通道A和B，波形如图10所示。可以看到输出发生变化与输入变化之间有一个时间延迟，即非门的传输延时。

为方便测量，将G和Y的信号分别送至虚拟示波器的通道A和B，Y相当于G有4个门电路的延时，调节Y与G的波形位置如图11所示。将光标浮停在两个波形转换50%处（即2.5 V处），测得的时间差除以4即得非门的传输延时约58 ns，与芯片数据手册一致[11]。

在理论分析非门的功能和性能特性时，通过口袋仪器对反相器CD4069加载输入信号，并实时检测输出信号，通过虚拟示波器直观显示，用图形可视化技术显示知识难点，促使同学们对知识难点快速深刻理解，同时加深了记忆，提高了教学效果。

四  结束语

本文提出的实物在环实时仿真教学法，利用口袋仪器和实际数字电路，克服了虚拟仿真方法的真实性问题，具有教学案例实物化、知识难点可视化的特点，实现了理实一体化的数字电子技术课堂教学。数字电子技术基础课程中，将实物在环实时仿真方法与虚拟仿真方法相结合，培养新工科创新型人才，建设国家级一流本科课程。学生获得了更丰富的学习体验，激发了学习兴趣，获得了扎实的理论知识，培养了综合实践能力和创新思维，提高了教学效果。学生反馈：“这种教学方法，结合实物有助于形象的理解，对知识理解更深刻，还可以应用于暂稳态、滞回曲线等光听感觉不出来的地方”“用实物实现综合项目，有成就感”。该教学方法除可应用于数字电子技术理论课外，亦可用于电路分析、模拟电子技术等课程的理论教学。

参考文献：

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[2] 张建华，赵静.新工科背景下研究生数值分析课程教学改革探索[J].高教学刊，2023（18）：146-149.

[3] 黎海生，夏海英，宋树祥.基于新工科的电子信息类专业人才创新能力培养模式研究与实践[J].实验技术与管理，2019，36（4）：200-202.

[4] 彭朝琴，胡晓光，刘丽，等.数字电子技术基础线上线下混合式教学模式探索与实践[J].中国教育技术装备，2022（6）：126-129.

[5] 姚吉鑫，鲁世斌，童小伟，等.Multisim软件在《数字电子技术基础》课程教学中的应用探究[J].电脑知识与技术，2023，19（6）：160-164.

[6] 李娟娟.Multisim在“数字电子技术”教学改革中的应用[J].高教学刊，2015（23）：134-135，138.

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[8] 鲁世斌，樊敏，杨金，等.EDA软件在《数字电子技术基础》课程教学中的应用[J].电脑知识与技术，2019，15（20）：153-154，157.

[9] 叶梦君，焦冰，叶天凤.基于Proteus的项目驱动模块化教学模式的探索与实践[J].湖北师范大学学报，2023（1）：96-101.

[10] 王立峰，李丹丹，宋其江.基于口袋实验室的电子技术立体化实验教学改革研究[J].中国现代教育装备，2023（5）：36-37，43.

[11] CD4069UB CMOS六路逆变器datasheet（Rev. E）[DB/OL].https：//www.ti.com/document-viewer/CD4069UB/datasheet.