電子類仿真軟件應用的教學之道

張婧婧　李勇偉

摘要：作為電子設計類課程的重要教具，仿真軟件的應用對課堂教學設計產生著深遠的影響，以“軟”件“硬”學、“硬”件“軟”教、“軟硬”相兼的教學原型為例，闡述電子設計類課程授課中運用虛擬仿真軟件有助于優化教學設計，實現課程教學互動的完整與統一。

關鍵詞：仿真軟件；教學設計；NIMultisim；Proteus；Quart-us II

0.引言

仿真軟件是電子設計類課程的必備工具，也將有望變革為基礎程序設計（如C語言）課程的入門教具。如何利用仿真軟件模擬真實電路，解決系統的軟硬件設計問題，早已被各高校的電子工程類專業所關注；如何結合情景項目的仿真設計，構建電子工程類課程的交互式教學模塊，也開始在不同課程教學中嘗試和醞釀。客觀地評價仿真軟件對教學的助力，積極挖掘仿真實驗的教學潛力，正是我們關注的兩個方面。我們以“軟”件“硬”學、“硬”件“軟”教、“軟硬”相兼為教學原型，展開軟件仿真與硬件教學、硬件仿真與軟件教學之間互動關系的探討，力爭闡明仿真環境中如何實現“教”與“學”的完整統一。

1.“軟”件“硬”學

仿真軟件之所以在電子類專業教學中“備受青睞”，歸功于其軟硬件設計和系統測試的能力。目前基于程序控制的電子系統設計仍主要依賴于c語言，甚至匯編語言的編程基礎，那么有計劃地將c語言課程與硬件仿真平臺進行有效結合，挖掘基于硬件的情景式教學項目，.即可“反其道而行之”地將語言類入門課程的教學設計架構于硬件仿真平臺之上，為學生還原語言課程的真實應用情景，有助于瞄準其學以致用的教學定位。我們以Proteus仿真軟件為例，來設計c語言課程情景教學模塊。

如圖1所示，簡易的交通燈系統最適于c語言多分支教學模塊的設計，如：

類似地，數碼管的譯碼程序可以加速學生對數組的理解，反復調用延時程序可以幫助其領悟子程序的主要功能等。總之，在Proteus仿真系統中遴選各類情景項目完成c語言課程的交互式設計，易于推動學生更好地理解結構化語言的內涵，并掌握其編程技巧；同時，應用Proteus進行系統的在線調試，將更加直觀地判定程序編寫的邏輯問題，降低編程的抽象程度。

與此同時，應用硬件仿真平臺學習語言程序設計也有值得關注的幾個問題。

（1）架構于硬件仿真基礎之上的程序設計無疑加劇了硬件零基礎，或非工程設計專業學生學習語言類課程的難度。若將硬件仿真原理圖和簡易程序模板的源文件事先發布給學生，即可有效地將學習過程中硬件的設計要求降低至“零”。

（2）作為通識性程序設計課程，c語言教學應甄選難度較低、情景直觀的項目作為硬件設計模型，旨在滿足不同專業的程序設計要求，即情景教學設計應以非專業角度進行取舍和斟酌為宜。

（3）仿真平臺的使用必須上手快，易于掌握，否則會將程序設計的教學過程引入“舍本逐末”之境。

綜上所述，只有將仿真平臺的硬件設計難度“歸零”，才能符合各學科不同專業的入門級語言課程的設計要求，為學生在系統仿真中體會程序設計的內涵和魅力提供“無差別”的虛擬平臺。

2.“硬”件“軟”教

在各類電子線路課程教學中，課堂的情景教學一貫缺乏有效手段，尤其是概念抽象、硬件復雜的電子線路課程，學生的抵觸情緒溢于言表。眾多電子仿真軟件應用中，NI Multisim軟件以其精準測量電子線路而“得名”，在內容抽象、概念枯燥的電路課程中引入此類軟件，無疑能夠平復學生知難而退的學習情緒。作為課堂自主性的教具，在NI Multisim平臺中搭建仿真電路、修改元件參數、添加儀器儀表、實施在線仿真會將課程演繹得有聲有色，電路模擬得生動直觀。

如圖2所示，在NI Mulfisim軟件的編輯窗口中，放置高頻信號源、示波器及各類分立元件即可快速搭建高頻小信號檢波系統的仿真電路。針對該電路復雜程度，仿真軟件中還支持設計電路子圖（如圖中乘法器MCl496）用以制作芯片或秘制電路的“黑盒子”，使得課程教學中易于呈現真實的硬件系統，便于劃分電路的功能模塊。對高頻電路的模擬及課堂的現場仿真，將培養學生對典型電路的學習興趣。采用示波器、探針、萬用表、頻率計等儀器儀表進行高頻電路的實時監測，也將大幅提高電路設計的成功率，鼓舞學習“士氣”。綜上所述，硬件電路的仿真實踐能夠為復雜電子線路的課程教學另辟蹊徑。

毫無疑問，在“硬”件“軟”教的仿真教學模式中同樣存在一些不可忽視的問題。

（1）在仿真環境中頻繁進行電路測試，容易導致對測試儀表的過度依賴，進而背離或忽視電子線路本身的設計原理和公式推導（如甲乙類、丙類功率放大電路的仿真）。那么在仿真教學中定量推演測試結果，準確解析電路設計原理及參數范圍，即成為課程教學的重中之重。

（2）仿真軟件中的資源更新較慢，而電子設計類芯片卻層出不窮，這將引起學生對仿真平臺的“信任危機”。擺脫此類“危機”需要查閱大量資料，尋找替代芯片或更新元件庫，這就對仿真設計本身提出了更高的技術要求。

此外，仿真軟件不可能解決電路構建、系統調試、故障排除過程中的所有問題。在電路課程的仿真教學進程中，應以原理分析和模塊設計為基礎，以硬件測試和系統仿真為進階，才能達到此類課程教學設計的理想境界。

3.“軟硬”相兼

在眾多電子設計課程中，EDA程序設計是一門由邏輯控制推演代碼編寫，從程序編譯轉入硬件連接的具有代表性的軟硬件結合課程。作為電子類專業課程，在EDA的仿真平臺（Quartus II軟件）中，課程的案例解析始于可編程芯片的選取，經過VHDL/Verilog HDL的程序編寫、頂層文件的邏輯推理、系統功能的模擬仿真，學習者能夠深刻體會到如何通過程序設計，實現系統硬件的邏輯功能；與之相應的，將源程序生成可執行文件，進行芯片引腳的鎖定和文件的下載運行后，又能夠通過硬件的邏輯表現驗證程序設計的可靠性。由此，利用Quartus II軟件的仿真平臺，學習者可以輕松將Vl-IDL/Verilog HDL的程序開發與FGPA/CPLD的硬件設計緊密交織在一起，因而此類軟件已經成為仿真教學和硬件開發完美結合的典范。

如圖3所示，在解析簡易8位計數器的案例教學中，首先編譯VHDL的源程序生成圖中的頂層文件，將頂層文件生成可執行文件直接下載到FPGA開發板或試驗儀中即可給學生一個程序設計的直觀感受。若開發板中展現出系統功能的任何偏差，又可以引領學生回到源程序文件中修改或測試，這樣的互動教學無疑將軟硬相兼的教學模式演繹得淋漓盡致。

4.結語

借助仿真平臺開展電子類課程教學設計的成功案例還有很多，根據不同軟件的特點因材施教是教學設計者的必備技能。以數字信號處理、信號與系統為代表的算法類課程授課，宜采用Matlab軟件進行仿真；以計算機接口技術、單片機應用技術為主的程控類課程授課，應選取Proteus軟件進行開發設計；而以模擬電路、數字電路、高頻電路為設計目標的課程授課，應配備NI Multisim軟件仿真測試更為可靠；同時關于新技術開發且納入學科培養方案的課程，將有待于教學設計者繼續努力，為推出新課程的仿真方案加油助力。