數字電子技術實驗教學改革與實踐

摘 要：數字電子技術課教學在實驗資源不足、實驗課時少的情況下，采用EWB軟件仿真演示和構建基于網絡的虛擬實驗室的辦法，能夠達到較好的教學效果。

關鍵詞：實驗教學；仿真模擬；虛擬實驗室

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B 文章編號：１００６－３５４４（２０11）０4－００73－02

數字電子技術是電子電氣、 通信和計算機等專業學生的必修課， 它要求學生系統地掌握數字邏輯電路的分析、設計和應用，具有很強的實踐性。數字電子技術實驗在教學中占有非常重要的地位， 目的是培養學生的理論應用能力， 分析問題和解決問題的能力，進而培養學生的實踐創新能力。但目前許多高校在數字電子技術課程的教學中普遍存在實驗資源不足、實驗課時量少、實驗效率低等問題，嚴重制約了教學質量提高。 為了在現有條件下保障教學目的的實現， 我們在數字電子技術的理論教學和實驗教學中采用了理論與實驗一體化的教學模式和構建虛擬實驗室的方法，并取得了良好的效果。

一、教學改革實踐

（一）在理論課的教學中采用理論與實驗一體化的教學模式

學生的常規思維特點是從以具體形象思維為主向以抽象邏輯思維為主過渡 [1] 。遵循學生學習的這一規律，我們在理論課的教學過程中，依靠EWB的仿真軟件進行電路的仿真演示， 通過仿真實驗來說明相關電路知識和概念。這對豐富學生的感性認識，并使之不斷上升到理性認識，實現教學中的“飛躍”，具有重要作用。

1. EWB軟件介紹。EWB軟件是交互圖像技術有限公司在20世紀90年代初推出的電子設計自動化軟件，近幾年來開始在國內大量使用。它可以進行基本電路分析、 模擬電路和數字電路的混合仿真，功能十分強大，幾乎能100％地仿真出真實電路的結果，而且提供了萬用表、示波器、信號發生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數字信號發生器、邏輯轉換器等工具， 器件庫中則包含了許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數字門電路芯片。通過它無須動用烙鐵就可以設計電路，得到電路的結果，而且若想更換元器件或改變元器件參數，只須點點鼠標即可。在眾多的電路仿真軟件中，EWB操作簡單、方便、快捷，未接觸過它的人稍加學習就可以很熟練地使用該軟件。而且早期版本EWB5.0是個比較小巧的綠色軟件，只有7.1M，不需要安裝可直接運行，便于學生隨身攜帶，可以隨時進行電路的仿真練習。

2. 使用EWB進行教學的實例。 例如在講授組合邏輯電路中譯碼器時， 先用EWB軟件給學生演示7442功能。圖1為7442功能驗證實驗過程截圖。該實驗是基本的7442功能驗證實驗。7442的輸入端通過文字發生器給7442輸入0～9的4位2進制數，輸出端接入10盞指示燈。在仿真過程中學生可以看到，當輸入0時，輸出0引腳的指示燈熄滅，其他指示燈點亮；輸入1時， 輸出1引腳的指示燈熄滅， 而其他燈是點亮的。教師則邊仿真演示邊說明。通過實驗，學生首先直觀地認識了7442芯片，它的輸入輸出有那些引腳，芯片的功能是什么。再由邏輯表達式、真值表理論分析2～10進制譯碼器的功能，學生很容易理解。實驗演示和理論講解的結合，使本門課程不再抽象，而且記憶深刻。

（二）構建基于網絡的虛擬實驗室

構建基于網絡的虛擬實驗室是國內乃至世界教育領域非常活躍的課題 [2] 。虛擬實驗室是指由計算機硬件系統和軟件系統構建的一個具有交互功能的計算機網絡虛擬實驗平臺。 通過網絡無論是學生還是教師，都可以隨時進入網絡虛擬實驗室操作儀器，進行各種實驗，也可以利用文字、符號、圖片、聲音等多種數字媒介進行信息交互。 網絡虛擬實驗室打破了傳統實驗室的概念， 給一些缺乏實驗條件的學生提供身臨其境操作實驗、觀察實驗現象和獲取實驗資料的機會，大大提高了實驗教學效果。下面以河北金融學院數字電子技術虛擬實驗室平臺為例， 說明虛擬實驗室平臺的功能和結構。虛擬實驗室平臺架構如圖2所示。

虛擬實驗室平臺由實驗儀器、知識庫、同步硬件實驗、 仿真實驗、 元器件庫和互動交流六大板塊組成，各個組成部分的具體功能及特點如下：

1. 實驗儀器。主要是一些學生所需的輔助工具，如萬用表、示波器、信號發生器等儀器的使用說明書。 另外， 還有通過labview軟件開發的示波器、信號發生器等仿真設備。這些設備如同真實的實驗設備一樣，學生可以任意操作、練習，不必擔心損壞儀器。

2. 同步硬件實驗。 傳統的硬件連接實驗在數字電子電路的設計中仍然占有非常重要的地位， 這部分是不可或缺的。 在同步硬件實驗欄目中主要是設置與課程中同步的驗證和中小規模電路的設計實驗項目，并提供學生實驗指導書、實驗箱使用說明，同步實驗演示講解，目的是讓學生提前預習。

3. 仿真實驗。為了給學生提供更多的實驗機會，在實驗教學中不但有硬件實驗，還要不斷增加EWB仿真實驗。 在這一欄目中提供給學生仿真實驗指導書，仿真實驗演示講解，學生可以在線進行仿真模擬實驗，書寫和上交實驗報告。

4. 知識庫。主要功能是提供給學生所需的各種圖片、視頻、動畫、音頻、文本等素材，學生可以自由控制各種素材，擴充知識面。

5. 元器件庫。 提供給學生電路設計過程中常用的TTL和CMOS元器件使用說明書，可通過查找功能找到所需器件， 減少了學生自己去搜索引擎下載說明書的麻煩。

6. 互動交流。學生可以登錄該平臺，共同進行遠程實驗操作，與教師和同學在線交流實驗中出現的問題和心得。這是遠程交互實驗的核心技術，彌補了網絡教學平臺缺少與教師交互的缺陷。

在權限設置方面， 虛擬實驗室設置了不同的用戶權限：（1）本校學生登陸后可以通過虛擬實驗室平臺進行實驗，將實驗圖、實驗報告、實驗結果上傳發送給老師； 本課程教學教師登陸后可以發布實驗項目，規定實驗的時間和提交報告的期限，還可以下載實驗報告，審批實驗報告。（2）過客不需登錄可以瀏覽和下載網絡虛擬實驗室平臺上的所有資源，但不能上傳、下載實驗報告。（3）管理員負責網絡維護。這種權限設置可使得網絡虛擬實驗室平臺應用最大化，真正成為網絡共享資源。

二、教學效果

通過理論與實驗一體化教學的改革和構建網絡虛擬實驗室平臺，可以很好地解決實驗課時少，實驗結構不合理，實驗儀器不足等缺陷。讓學生得到充分的實踐練習，不僅提高了他們對理論知識的理解能力，同時也提高了他們的創新和科研能力。

1． 在理論教學過程中， 采用理論與實驗一體化的教學模式，在講理論的同時，利用EWB仿真軟件邊講解邊演示實驗， 使得一些驗證性的實驗不需要再占用實驗教學時間， 也使理論課程教學直觀、易懂，提高了學生學習興趣，教學效果明顯提高。

2． 網絡虛擬實驗平臺成為學生自主學習、自主實驗的基地。學生不論在什么地方、什么時間，只要能夠上網就可以登錄網絡虛擬實驗平臺預習數字電子技術實驗，操作實驗設備，做實驗并觀察實驗結果，上交實驗報告，不受地點和時間的限制，也不受儀器設備的制約。教師也可隨時隨地上網發布實驗，批改實驗報告，隨時與學生交流實驗心得。

3. 實驗形式和實驗結構都趨于合理化， 仿真實驗、綜合性實驗、設計性實驗大大增加。就河北金融學院而言，數字電子技術課程安排學時為68學時， 其中理論51學時，實驗教學17學時。經過了兩個學期的改革，在總課時和課時結構未變的情況下，實驗項目、實驗內容和實驗時間都發生了很大變化（見表1）。

（責任編輯：盧艷茹；校對：龍會芳）