虛擬仿真技術在數字電路課程改革實踐中的應用研究

【摘要】文章針對數字電路課程教學的若干問題提出改革的實施意見，結合實踐經驗提出有效的教學方法。將計算機虛擬仿真技術應用到課堂教學和實驗環節中，實現實驗教學的高層次目標，有效地提高教學質量。

【關鍵詞】虛擬仿真;數字電路;課程改革;教學方法

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)07—0147—04

一 前言

數字電子技術是計算機及通信類專業的重要的專業基礎課，其中關鍵的環節就是培養學生的實踐能力和解決問題的能力，因此，生動形象的課堂教學和全面的實驗體系對教學效果和知識的應用能力有著非常重要的作用。然而，由于實驗儀器的的老舊，數量有限，使得實驗的開出率以及實驗內容的擴展都受到限制。為順應現代教育的發展，實施的現代化遠程開放教育，將計算機虛擬仿真技術應用于數字電路教學中。其中理論教學結合多種教學方法和現代化的教育技術，將基礎知識和理論形象地表現出來，有助于學生理解。課堂教學和實驗教學都利用計算機虛擬仿真軟件將所學理論聯系實際，并加以應用，在此研究基礎上提出了基于虛擬仿真技術的所有電子技術課程教學的新模式。

二 計算機虛擬仿真技術

虛擬現實(Virtual Reality)技術，簡稱VR，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等多個領域。它由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的三維信息的人工環境——虛擬環境，可以逼真地模擬現實世界(甚至是不存在的)的事物和環境，人投入到這種環境中，立即有“親臨其境”的感覺，并可親自操作，與虛擬環境進行交互[1]。

計算機虛擬仿真技術，是在多媒體技術、虛擬現實技術與網絡通信技術等信息科技迅猛發展的基礎上，利用計算機技術將仿真技術與虛擬現實技術相結合，是一種更高級的仿真技術。虛擬仿真技術以構建全系統統一的完整的虛擬環境為典型特征，并通過虛擬環境集成與控制為數眾多的實體。實體可以是模擬器，也可以是其他的虛擬仿真系統，更多的是計算機。實體在虛擬仿真軟件所提供構建的環境中相互作用，以表現客觀世界的真實特征。虛擬仿真技術的這種集成化、虛擬化與網絡化的特征，可以滿足現代教育的發展需求[1]。

三 課程教學的若干問題及改革研究

對于理論教學環節，首先是教學內容陳舊。當前大中專院校所用的教材內容都是十幾年前的，即便是近幾年出版的教材，也只是內容的深淺不同，體系結構基本相同。比如教材中主要說明的74LS系列的芯片在目前實際應用中已經被淘汰，真正是學的沒用，用的沒學。現在的學生在學習中，非常關注所學知識的實用性，如果不能學以致用，就影響到學習興趣和學習積極性。因而在課程教學中要及時更新教學內容，講解傳統芯片的同時多介紹一些現在普遍使用的芯片，當然也要根據學生學習程度，最大可能激發學生的興趣[3]。

其次是教學方法。常用的教學方法無非就是這幾種:講授法、討論法、談話法、閱讀指導法。根據課程的特點和教學要求，不能一成不變的套用傳統的教學方法。這些方法對有些課程很有效，但是對計算機課程不一定全部適合，因此需要探索適合本課程需求的新的教學方法。筆者在教學中通常有如下幾種方法:講授法，這是傳統的教學方法，教師口述基本事實、原理和推理過程。部分定理，原理及產品采用講授法。例舉法，就是以典型例題說明某個定理或元件的應用，這是本課程用的最多的一種方法。在數字電路課程中有很多芯片的實際應用，有些是針對某部分內容的很典型的例子，這些例子對于學生理解和掌握此部分知識非常有用。任務驅動法，就是教師布置一些運用某個知識點的題目，要求學生在課堂上有限的時間里做出來，并檢查完成情況。這樣學生對該節課所學知識從理論到應用有了一個全方位的認識，而且對每個知識點掌握得都比較透徹，這是近年來比較流行的一種教學方法，也是計算機專業課程特有的一種教學方法，對提升教學效果有顯著作用。

再次是教學手段，不是單純的使用多媒體課件，而是結合計算機專業特點引入現代化教育技術和手段，很多典型例題用計算機仿真軟件在課堂驗證，讓學生直觀形象地了解電路的工作情況，從而掌握電路或芯片的應用。

對于實驗教學環節，首先是實驗設備簡陋。很多高校數字電路實驗設備包括我校仍然使用老式實驗箱，即由固定數字電路芯片搭建的實驗，學生只能按實驗教材設計的實驗按步驟做固定的實驗，實驗內容都是以芯片講解為主，目的是對芯片功能進行驗證。因此學生把實驗課當完成任務，實驗環節沒有促進教學，相反影響了教學效果。很多新的芯片不能認識和實踐，使得實驗教學方法與實際應用的要求嚴重脫節。其次在實驗教學過程中，由于實驗設備老化，個別元件被損壞或接觸不良，導致學生實驗中，出現一些問題，電路連接完全正確，但是就是得不到正確結果，結果費了很多時間去排除故障，這樣做實驗當然激發不了學生的興趣，相反還會阻礙他們進一步探索。再次，由于實驗條件的限制，實驗項目只能停留在驗證性實驗層次，學生的設計能力和綜合應用能力都得不到提高，利用電子電路的計算機虛擬仿真軟件multisilm10就可以解決這個問題，利用這個軟件可以自行設計集成電路，綜合應用各種芯片，完成所有的數字電路實驗[4]。在教學實施中，根據學生情況分驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗三個層次完成實驗教學目標。

四 計算機虛擬仿真技術在課程教學中的應用

1 課堂教學中的應用

在課堂講到門電路的工作原理或集成電路的應用時，可以現場用計算機仿真軟件演示電路的工作過程，使學生更好地理解門電路的工作原理和芯片的工作情況。從而掌握電路的應用。這樣，教學過程是由原理到應用，由簡單到復雜，由抽象到現實，循序漸進地完成理論知識的學習。數字電路的基本單元是門電路，那么理解其工作原理非常重要，但是此部分對于大部分同學來說都是難點，如何突破這個難點呢?利用軟件建立仿真電路，真實地展現輸出電壓隨輸入電壓的變化情況，就會獲得很好的效果。下面是利用仿真軟件說明TTL與非門工作原理的課堂實例:

(1) Vi=0V，輸入接低電平。那么Q1導通，Vb1=0.8V，Ib5<0，Q2截止。由于Vc2=4.989V，Vbe3=4.989―4.207=0.782V，Vbe4=4.207―3.637=0.57V，導致Q3、Q4導通。而Vb5=0.086V，使Q5截止。Vo=3.637V，輸出高電平。其電路仿真如圖1:

(2) Vi=3.6V，輸入高電平。那么Q1的發射極電流從發射極(0.852mA)流入，從集電極流出，Q1的發射極和集電極倒置狀態。Vb1=2.443V，Vb5=0.843V，Vbc1+Vbe2=2.443-0.843=1.6V，導致Q2、Q5導通。由于Vc2=0.886V，Q4、Q5截止。輸出Vo=0.018V。其電路仿真如圖2:

2 實驗教學中的應用

大學生需要有獨立的設計能力和對電子器件的綜合應用能力，這就決定了本課程的實驗體系應該是三個層次，在簡單的驗證性實驗的基礎上必須開設有創造性的設計性實驗和綜合性實驗。然而實驗室有限的數字電路實驗箱只能做幾個簡單的驗證性實驗，無法滿足設計性實驗和綜合性實驗的設備要求。但是，利用電子電路的計算機仿真軟件就可以擴展實驗室，提供所需要的一切電子元件和芯片，搭建任意難度，任意復雜的電路，并驗證其正確性。同時利用仿真軟件的可配置性，配合適當的外圍電路可做出多種不同的應用。在實驗課程中，提前給出了三種實驗的一些題目和內容，要求驗證性實驗必須都完成，設計性實驗可選做一至兩個，綜合性實驗選做一個。下面簡要說明學生利用仿真軟件選做的數字電子鐘邏輯電路的設計實例。

要求用中、小規模集成電路設計一臺能顯示日、時、分秒的數字電子鐘，選用器材主要有:安裝有仿真軟件的計算機若干臺，集成電路(CD4060、74LS74、74LS161、74LS248)，晶振、電阻、電容若干，數碼顯示管，三極管、開關若干。

提示設計方案，包括數字電子鐘的電路框圖和四個主要模塊的實現細節，學生依據電路框圖和提示信息設計邏輯電路圖，并將其在虛擬實驗環境中用仿真電路實現。下面給出數字電子鐘的電路框圖。

篇幅所限，參考電路就不給出，但是通過這個實例可以看出虛擬仿真技術在課程實驗中的重要作用。不但節省很多設備購置費用，不受地點和環境的限制，而且和真實實驗具有相同的效果。既然如此，為什么不廣泛應用呢?

五 總結

論文對數字電子技術課程教學提出很多問題，在實際的教學實踐中對這些問題進行了探索，將計算機虛擬仿真技術引入教學中，采用現代化教育手段進行課程改革。課堂教學提出了很多適合本課程并行之有效的教學方法，重要電路工作情況的計算機仿真演示，部分例題的計算機仿真驗證，增強其直觀性和真實性，加強學生的理解。實驗教學也利用計算機仿真軟件，采用虛擬實驗和真實實驗相結合的方式，擴充建立了虛擬實驗室，擴展了實驗內容，在無需花費很大代價的情況下，滿足了設計性實驗和綜合性實驗的條件，從而完成三個層次實驗體系的建設。在本文的研究基礎上，可將虛擬仿真技術推廣應用到所有電子技術課程教學中，引發電子技術課程改革的新局面。

參考文獻

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