在線教學模式下數字電子技術仿真實驗案例設計

鄧濤　朱明強

[摘 要] 面對在線教學模式下學習數字電子技術基礎知識面臨的許多挑戰，教學中引入以Multisim為代表的EDA實驗教學軟件，圍繞以設計各類型數字電路為核心內容，進行模塊化實驗單元教學和多樣化考核驗收形式，改變了以往網絡教學中對于數字電子技術基礎知識的單一講授模式，在完成理論知識教學的同時可以較好的實時展現實驗效果。通過學生在線操作和實時答辯，較好解決了線上實驗教學成效難以準確評估的問題。

[關鍵詞] 數字電子技術;網絡在線教學;虛擬仿真;Multisim軟件

[作者簡介] 朱明強（1984—），男，云南大理人，工學博士，北京交通大學電子信息工程學院工程師（通信作者），主要從事現代電子技術、工業互聯網研究。

[中圖分類號] G642? ? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）06-0169-04? ?[收稿日期] 2020-10-25

一、引言

數字電子技術是一門兼具理論性、工程性和實踐性的專業基礎課，而與之配套的數字電子技術實驗課程，在電子信息類“新工科”建設過程中發揮著越來越重要的作用[1]。目前在全國范圍內數字電子技術理論課程在線教學已經如火如荼的展開，對應的實驗課程更加注重培養學生實踐能力和工程素質，當務之急是如何有效的開展線上實驗教學新模式。如果以此為行動契機，綜合運用各種信息化手段開展實驗教學探索，則對弱電類專業網絡化課程建設是巨大的促進。線下實驗室現場教學是目前主要開展方式，也是各高校資金和人力投入較大的學科建設領域。但近年來實踐表明，實驗室開展電子電路類實驗常常受到空間、時間和器件材料有限等問題限制[2，3]。尤其當線下實驗教學無法正常開展時，將會大大限制學生學習相關學科知識的積極性和有效性，進而無法有效完成新時期高校規定的電子信息類專業培養要求[4，5]。

作為本科一線教師，筆者研究和設計了多個基于使用虛擬仿真軟件系統（Multisim）在線實驗案例，探討了一種便捷可行的網絡化實驗教學模式，通過在2020年春季學期大規模線上教學中使用，實踐了基礎理論教學與相關實驗教學的線上有機結合，在提升數字電子技術基礎知識在線學習效果的多維化教學方法摸索中，獲得了不少有益的經驗。

二、目前在線實驗教學存在的問題

數字電子技術實驗是電子信息類本科生專業培養中極其重要的專業基礎實踐培養環節，具有極強的工程性和實踐性特點，也是長期以來電子信息類專業師生難教和難學的課程。該門課程在線教學實踐中，由于傳統上對實驗設備和場地的依賴，實驗教學往往比理論教學存在更多的困難和更大的挑戰。從提升數字電子技術實驗教學效果的角度考慮問題，應從兩方面出發：一是培養學生內在的學習興趣，二是結合目前可行的工程實際。在條件允許情況下讓學生“盡早扎實基礎知識，盡早接觸仿真技術，盡早開展研究探索”。

目前網絡上較為流行的在線數字實驗教學課程中多以FPGA或單片機應用開發為核心講授內容，在線仿真軟件的教學也多面向特定開發板或實驗板。對以基礎門電路和中小規模電路為主的基礎知識往往忽視，對應在線教學方式也相對簡單，多以視頻和動畫講解驗證性實驗理論為主，缺乏使用現代軟件技術的仿真設計分析。如何在網絡教學條件下，盡可能讓學生明確掌握現代電子技術應用的同時，又能夠掌握相關基礎知識，這是在線教學亟待解決的問題。畢竟，再復雜再精密的電路涉及底層還是要用門電路來實現。對數字電子技術基礎知識如果掌握不扎實，將來就難以設計出性能優異且可靠性強的數字電路。

此外，以往傳統的實驗考核評價方式通常以結果為主要導向，強調的是任課教師將理論知識和實踐技能直接傳遞給學生，或是讓學生簡單機械的根據教師安排和講解，去模仿操作得到的實驗結果。這樣一來就非常容易在實驗教學實踐中出現兩個大的問題：一是學生在課內學習過程中缺乏主動性，對實驗本身理解較淺，導致學習效率不高;二是完成實驗過程后，學生實踐能力沒有得到本質上的提高，提高的往往只是單純的模仿能力。教師在課內教學中將完成主要的工作后，學生只是依葫蘆畫瓢，沒有對所學知識進行重新的理解、組合、融會貫通，無法舉一反三，更談不上將所學知識上升為分析和解決問題的實際能力。

三、線上教學案例設計與實施

Multisim軟件是由美國國家儀器（NI）有限公司基于流行的Windows平臺推出的電子電路仿真工具，廣泛適用于包含模擬電路、數字電路、射頻電路等多種現代電子電路的線路設計、仿真測試及特性分析。它的主操作窗口與實際的電子實驗臺非常類似，在其電路工作區中，可以用鼠標直接調取和使用放置于元器件欄中的各種電子元器件以及儀器儀表欄中的各類測試工具，并根據需要將它們連接成所需的實驗電路。通過軟件界面當中的“啟動/停止”按鈕，來自行控制實驗的進程。在多數實驗中，可直接利用Multisim軟件對實際電路進行虛擬仿真，在排除干擾的情況下獲得與實體實驗相匹配的準確結果，而且由于涉及所有電路搭接操作都是在軟件屏幕主要窗口中直接完成，整個流程直觀明了，非常便于教師和學生學習使用。

引入Multisim仿真軟件進行數字電子技術實驗教學，將改變了以往以傳授驗證性實驗知識為主的教學模式，打破了傳統上以教科書內容視頻和PPT課件講解為主要方式的基礎知識在線授課模式。通過引導學生學習使用流行的EDA教學軟件，將實驗內容承載到單個的小型項目上，可以在網上進行具有初步探索性質的項目式實驗教學。在具體課程的設計上，既重視學生對相關基礎理論的逐步認知過程，又強調對所學知識的靈活應用技巧。在教學過程中，利用軟件將自主設計實驗方案、電路連接調試和計算機仿真測試等綜合實驗素養的培養完整貫穿于整個實驗教學之中。尤其對于復雜知識點講解時，如果對EDA技術進行有效利用，可以提升學生學習和教師講解的效率。通過研究軟件系統中包含的仿真模塊，可以獲得很多相關課程內容學習信息，從而充分的發揮 EDA技術的仿真實驗教學功能。

數字電路作為數字電子設計技術領域的公共基礎課，雖然在現代數字電路設計中相對較少直接運用到中小規模門電路，但所涉及電路多么復雜精密，歸根到底仍然是以大量邏輯門來實現的。因此，相關基礎知識的學習仍然十分重要，結合網絡教學特點，可以一種新的思路和方法來向學生進行講授。在本次網絡在線實驗教學期間，課程組首次采用“騰訊課堂在線直播+微信群實時互動 +學校課程平臺輔導”的在線教學形式開展了線上教學，基于Multisim軟件的EDA仿真技術教學同時被大量應用到數字電子技術基礎實驗教學中。其中，線上直播課以“共享屏幕+網絡課堂語音講解”的模式展開。根據在線實驗教學設計，將實驗時間“分散化”，以教師講解實驗注意事項和實驗難點為引導、教師在線操作仿真軟件搭接電路為示范，學生自行線下完成仿真電路搭建和功能調試為主要目的，最后師生雙方利用“騰訊會議平臺”在約定時間完成仿真實驗操作在線驗收和線上實時答辯。為此，教研組針對數字電路基礎知識點范圍和仿真實驗在線可操作性經過多次研討，制定了多個教學實驗項目。以下為本次網絡在線教學實踐中，設計和完成的一個案例：

（一）實驗案例

實驗內容：運用Multisim軟件，基于16進制計數器74LS193設計六進制加法計數器和五進制減法計數器，分別用清零法及預置法實現，調用軟件中虛擬儀器觀察輸出信號并分析。

實驗目的：研究數字系統時鐘產生電路和定時電路;熟悉555型集成時基電路的工作原理;掌握用555集成時基電路的基本應用;熟悉計數器的邏輯功能和使用方法;利用給定計數器實現任意模計數器;提高綜合設計能力和自主學習能力。

（二）案例分析

上述仿真實驗案例基于課程組依據自主編寫的實驗指導書設計，與實體實驗相匹配，其實驗步驟與實體實驗完全一致。針對555集成時基電路本身是一種數?；旌闲偷闹幸幠＜呻娐罚诤罄m教學中具有重要的作用。而計數器是一種廣泛使用的集成電路，它能夠用不同的狀態來表示輸入脈沖的個數，在數字系統的控制、運算以及分頻等方面都離不開計數器的應用。集成計數器一般都有清零端CLR、數據置入端LOAD等功能管腳，當所要求的模數M小于計數器本身模N時，靈活運用各個功能管腳就能實現設計要求。因此，實驗案例主要利用555電路組成多諧振蕩器，由已知電路圖進行仿真，根據電路中元件的具體參數的計算公式，找出實際中符合要求且實際存在的元件進行電路設計，可以觀察到多諧振蕩器的輸出波形，更好的理解上、下觸發電平的概念。其中，重點考查學生利用74LS193這一同步二進制計數器實現六進制加計數器和五進制減法計數器，熟悉實現任意進制計數器設計的兩種常用方法：清零法和預置法。要求學生了解555定時電路的多種擴展應用，對任意進制計數器的設計流程進一步熟知，同時也對平時學習數字電子技術基礎知識內容有了更深一步的了解。

（三）案例實施

首先要求學生學習使用仿真軟件Multisim，調用軟件元件庫中的555定時器芯片搭接多諧振蕩器，且設定頻率為1KHz，用虛擬示波器觀察和記錄輸出波形的同時，測出其振蕩頻率，隨后要求更改軟件設置，將振蕩頻率值改為4Hz并重復上述步驟，以加深學生對555定時器芯片功能的認識。隨后針對基于16進制計數器74LS193設計六進制加計數器和五進制減計數器的實驗內容，要求學生對可逆計數器具備加法計數與減法計數的工作模式進行回顧，更深一步掌握74LS193的工作原理，并且鍛煉學生將之前設計555定時器得出的成果重新整理，通過仿真軟件運用到中規模計數器設計中來，鞏固之前所學相關理論知識。此外，實驗中首次要求使用虛擬邏輯分析儀，有助于學生分析時序電路中的各個輸出端邏輯值與時鐘信號的關系，進一步熟悉各類儀器儀表的在未來實際電路開發中的功能。

最后，為了強化實驗環節對于基礎知識的教學效果，要求學生撰寫基于仿真實驗全過程的綜合實驗報告，鍛煉科技報告寫作能力，為未來從事科研打下一定基礎?；诰W絡學習的特點，教研組教師全程以共享屏幕的方式對實驗進程進行實時指導，增強學生的參與感與沉浸感，特別增設了在線實時操作和答辯環節，尤其注重師生間的實時交互，全面考查學生對實驗知識的掌握程度。學生學習成果的評價是非常重要的環節，全面公平的考核評價體系有助于調動學生的學習積極性。特別是在線實時情況下，隨機指定相關內容要求進行Multisim軟件操作考核，更有助于判別學生掌握程度，改進實驗成績區分度，督促學生對仿真實驗任務的重視和理解。

四、結語

隨著課程改革的深入，EDA作為數字電路的教學和實驗已經愈發重要，它使抽象的學習內容更加直觀，教學概念的表達更加清晰，在提高了教學效率的同時也符合電子設計的發展趨勢。在大規模網絡在線教學模式下，針對數字電子技術基礎知識的仿真實驗教學實踐表明： 根據實驗教學內容需要，適當的在網絡實驗教學以及課后延伸學習環節中引入Multisim的虛擬仿真，不僅能夠激發學生的學習興趣，強化學生對數字電子電路理論知識的理解，同時也大大鍛煉了學生運用現代仿真軟件的實踐能力。通過引導學生運用理論聯系實際的求知方法，培養了工程意識，為實驗網絡教學方式和方法做出了有益的探索。

參考文獻

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[3]桑林，付強，張增鳳.電工與電子技術實驗翻轉課堂教學模式的研究[J].高教學刊，2020，No.131（09）：81-83.

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[5]戚茜.應用型人才培養模式下的電子技術實驗教學探究——評《電子技術實驗與課程設計（第5版）》[J].中國教育學刊，2019（11）.

Abstract： Learning the basic knowledge of digital electronic technology online is facing more and more challenges. When Multisim is introduced as an EDA simulation software， we take the design of various types of digital circuits as the core content， conduct modular experiment teaching and diversified methods of assessment. It has changed the monotonous teaching model in the past. While the theoretical knowledge is taught， the experiment results can be displayed in real time. Through students' online operation and oral defense， the problem that it is difficult to assess the effectiveness of online experiment teaching accurately is solved.

Key words： digital electronic technology; online teaching; virtual simulation; Multisim software