基于虛擬仿真的數字電子技術實驗教學改革與實踐

趙娟

摘 要：該文主要從改革的意義和舉措兩個方面進行闡述，針對當前數字電子技術實驗教學的不足，采用基于網絡化的虛擬仿真技術進行數字電子技術實驗教學改革與實踐。實踐證明，基于虛擬仿真的數字電子技術實驗適應時代發展的需求，激發了學生學習的熱情，提高了授課效果。

關鍵詞：數字電子技術實驗 虛擬仿真 改革與實踐

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10（b）-0082-02

數字電子技術是筆者學校精品課程，目前正在進行網絡資源共享課的建設，同時它也是理工科電氣工程及其自動化、電氣自動化技術、機械設計制造及其制動化、物聯網工程、應用物理學和計算機科學與技術等專業的專業基礎課。該課程不僅具有自身的理論體系而且實踐性非常強。該課程主要的內容是解決數字電子電路相關理論的入門，學生能夠在掌握基本理論的同時進行簡單的設計，掌握分析和設計的基本方法和基本技能，為后學專業課的學習打下良好的基礎。

以往的數電實驗教學基本上是硬件實驗室內部操作。學生在學習完理論課后，在實驗課上直接通過實驗臺進行驗證性操作或者簡單設計再通過實驗箱搭建電路，這樣的操作設計性比較差，很多知識的掌握達不到加強鞏固的效果。如果有一個好的實驗平臺能夠讓學生對所學的內容進行及時的驗證，教學效果會大幅度地提高。對一些興趣比較高、學有余力的學生還可以針對實際問題設計一些電路，然后在平臺上練習，從而發現問題解決問題。去年該校購置了虛擬仿真平臺，但是由于網絡不穩定、平臺的操作不熟練等因素影響，目前數電實驗目前還停留在實驗箱的階段，雖然經過一定的改革增加了面包板，學生的動手能力有一定的提高。但因有許多問題出現，如初學者對原理掌握不牢固、理論知識跟不上實驗內容效果不佳、教學評價和實驗考核手段比較單一、設備的故障頻發、設備升級不方便等諸多因素嚴重影響教學，也限制了學生的創造力和學習的主觀能動性。

1 數字電子實驗教學改革的意義

數字電子技術工程性和實踐性極強，相應實驗課程的開設，不僅可以幫助學生理解和掌握該課程的基本內容，還可以提高學生的動手能力，培養學生的創新思維。利用網絡技術、計算機技術與虛擬仿真技術在計算機上構建一個虛擬實驗室環境，提供可操作虛擬實驗儀器，使學生在互聯網上通過接近真實的人機交互界面完成實驗，同時還提供網絡實驗教學的一體化管理功能[1]。該校在電類專業中開展了部分仿真課程的公共選修課和專業選修課，已經購置了仿真平臺，以及計算機機房等硬件設備，對于數電實驗的仿真有一定的基礎。但是實踐教學內容和人才培養模式還有一定的差距，而且并不互相兼容，需要系統的虛擬仿真實驗機制來提高實驗教學和管理的有效性和可行性。

采用虛擬仿真的數字電子技術實驗的開設不僅可以彌補傳統硬件實驗的不足，提高學生學習的興趣、動手能力的培養及綜合素質的提升，而且具有以下幾點優勢。

（1）解決了傳統實驗資金不足或不能及時到位的現象。虛擬仿真不像硬件實驗室那樣需要比較高額的維護費用，而且維護起來不受時間和地點的限制，利于實驗教學的管理。

（2）通過綜合實驗群，實現綜合利用資源。數電實驗涉及到信號的產生，數字電路的實現，可將虛擬軟件平臺和EDA實驗室及信號與系統實驗室等多個實驗平臺構建，共同完成綜合性和設計性實驗的仿真及操作。

（3）互動性較強。網絡化實驗室虛擬操作可以實現生與生、生與師、師與師之間的遠程互動與交流。老師可以有效地對學生進行實驗指導、監督和考核，學生通過交流很快地掌握實驗內容，有效地進行實驗操作。

（4）提升學生自主學習的能力。學生可以根據自身條件，除了完成老師交代的內容之外，設計自己喜歡的實驗環境和實驗模式，自我設計與創造，提高自我學習的能力、鍛煉動手能力和設計能力。

（5）與科技發展同步，保證實驗的先進性與前瞻性。及時有效地對虛擬軟件進行更新，與時俱進地采用新的方法授課，引入新的實驗內容，提高學生開展探索性、研究性、創新創意性實驗。

2 虛擬仿真數字電子技術實驗改革與實踐的舉措

為了培養中國特色應用技術型人才，教學中必須加強學生的技術理論、注重技術應用、突出實踐教學，而加強實踐性教學環節建設正是整個教學過程的一個基礎。

2.1 改革教學過程

通過學習其他院校實驗教學模式，根據當前信息網絡技術發展特點，參考其教學經驗與做法，對該課程的教學過程加以調整。針對不同的專業選用不同的教材，精選教學內容、精煉講課題材。

2.2 完善教學大綱，實現人才培養目標，適應人才培養模式

通過課題組成員授課經驗及學習研究的結果，商討完善教學大綱，制定比較合理的實驗教學考核機制，實現人才培養目標。

2.3 改革實踐教學內容和方法

通過引入現代化的教學手段，推進實驗教學方法和手段的提高及改革。構建以網絡為載體的教學平臺，借助一些虛擬軟件實現虛實結合的實踐教學方法。通過已有的虛擬仿真實驗平臺結合原有的硬件設備進行數字電子技術實驗教學，提高了設備的利用率，降低了實驗成本，提高了實驗授課效果。通過改革實驗教學內容，優化驗證性實驗，加強綜合性、設計性和創新性實驗，注重學生創新精神和實踐能力的培養。

教學內容采用虛實結合的授課方式，突出實驗多元化、層次化和系統性。具體實驗內容由數制和碼制、基本門電路的測試、組合邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路、脈沖的產生與整形、ADC和DAC、半導體存儲器和可編程邏輯器件等構成。[1]通過虛擬實驗電路的搭建，使學生對實際電路具有比較直觀的認識，培養學生解決實際問題的能力。

2.4 建設綜合實驗團隊

通過教師或學生自發組織相關協會構建綜合實驗團隊，定期進行數字電子技術實踐理論知識的講授和電子線路的設計。形式可以多樣化、多元化，如講座、授課、競賽和觀摩等。

2.5 構建虛擬實驗室，實現開放式教學

利用虛擬仿真實驗教學平臺、計算機網絡和數字電子技術硬件實驗室共同構建虛擬數字電子技術實驗室，實現一個互聯網上的虛擬實驗環境。虛擬仿真實驗教學平臺主要包括實驗教學管理、實驗教學務管理、實驗前理論知識學習、實驗過程智能指導、實驗結果自動批改、互動交流通知、實驗教學效果評估和實驗教學資源管理等9個模塊，實現開放式虛擬仿真實驗教學管理和共享。該平臺不僅可以實現數字電子技術的實驗操作，還可以擴展到課程設計和課程實訓環節的教學。

利用網絡建立關于數字電子技術實驗為主題的論壇，以促進不同用戶間的信息交流，了解最前沿的數字電子技術實驗，開拓視野[3]。

2.6 構建綜合實驗群

打破課程界限，實行多門實驗交叉匯合，建立綜合實驗群。數字電子技術是一門邏輯性非常強的課程，邏輯變量的產生、傳輸和處理過程要求比較嚴謹，具有工程性和實踐性兩大特點。將已有的數電實驗室、通信實驗室、虛擬仿真平臺和EDA、信號與系統等多個實驗平臺構建一個適用于工科專業的電類虛擬實驗綜合實驗群，共同來完成綜合性、設計性實驗的操作，提高學生學習興趣，促進教學效果的提高。

2.7 改革實驗教材

針對該校轉型發展的目標，該院在人才培養模式上也應有所變化，要促進電類學生知識、能力、素質的平衡協調發展，提高學生的工程實踐能力和創新意識。結合實際情況改革實驗教材。這樣既能提高學生的創新意識，也能培養其解決實際工程問題的能力。

2.8 改革考評機制

過去的數字電子技術實驗都是平時成績加期末抽取實驗操作一次性考核的方式進行。通過虛擬仿真后的試驗考核方式采用考勤成績、平時操作成績、提交作業成績、創新成績綜合考評。同時建立學評學、師評學、學評師的考核機制，共同進步，共同促進教學質量的提高。

3 結語

堅持“育人為本”“以生為本”的基本教育理念，培養應用技術型人才是我們的最終目標。通過實踐證明，對已有的實驗室及其設備進行合理整合，構建綜合實驗群，不僅可以實現數字電子技術綜合實驗和設計實驗的有效進行，也可以實現其他實驗的有效進行。

通過豐富的仿真實驗、實訓軟件培養學生分析問題、解決問題的能力，提高學生設計和創新的能力；整合已有硬件資源和虛擬網絡結合的方式使學生對實際電路有比較直觀的認識，既提高了現有設備的利用率，降低了實驗成本，又提高了實踐教學的效果；最終促進學生“善學習、善實踐、善應用”的專業素養和實踐創新能力的培養。

參考文獻

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