基于線上虛擬仿真的數字電子技術實驗教學改革與實踐

冼燦嬌，鄭鑫

（廣西民族師范學院，廣西 崇左 532200）

1 前言

數字電子技術實驗是電子通信類專業的基礎實踐課，同時也是物理學、機械設計制造及其自動化和物聯網等理工科專業的專業基礎實踐課。該實驗課程與理論課程聯系非常緊密，具有很強的實踐性。該課程的主要內容是使學生驗證和運用數字電子技術的理論知識，使學生能夠加深對理論知識的理解，學會使用科學理論知識解決實際工程問題的方法和技能，為后續專業課程的學習打下良好的基礎。

通常，數字電子技術實驗室是在實體教室完成，實體教室除了給學生和教師提供固定的實驗場所，還提供了實驗儀器和輔助器材，教師通過實物操作的授課方式教予學生進行相關的儀器設備操作和電路搭建及調試。在這種情況下，學生只能進行課堂的實驗，走出實驗室就無法進行相關的理論驗證和設計驗證實驗，另外，由于每個學生的理解能力存在差異，在實驗課堂時間有限的情況下，部分學生無法在課堂上完成實驗或者沒來得及掌握知識點，如果在課堂外能通過新的“平臺”來彌補時間的“不足”，對學生來說就多一種鍛煉機會。單純通過實體教室完成實驗課程的方式存在一定的缺陷，容易導致學生對更多理論知識的掌握無法通過實踐驗證進行加強鞏固。隨著社會及技術發展，市面上出現了很多虛擬仿真軟件，而Multisim 仿真軟件具有簡潔易懂、操作性好等優點，若將Multisim 引入我們的實驗課堂教學中，通過這個軟件給學生提供一個自主實驗的平臺，學生便可隨時隨地通過實驗對所學的理論知識進行驗證，無論是理論課程還是實驗課程，教學效果都會有很大的提高。通過這樣的教學平臺，還能提高學生自主學習的能力和自主創新的意識，培養學生使用科學知識解決實際問題的工程意識。

2 Multisim 軟件的介紹

Multisim 軟件是美國國家儀器有限公司推出的一款電子技術仿真軟件，經過多年的發展，目前有很多個更新版本。Multisim 軟件在更新升級過程中，始終延續它的直觀界面、操作方便和簡單易學易用等優點，同時在軟件的功能上又有創新性的升級改動。現階段，Multisim 軟件能夠靈活有效地滿足電子電路的設計和虛擬仿真的需求，讓使用者可以更方便地完成實際和仿真數據的比較，節省電路測試的時間。

Multisim 軟件提供多種語言界面，面向不同國家的人群。Multisim 軟件具有友好的界面，如圖1 所示，它的界面中有菜單欄、工具欄、虛擬器件欄、虛擬儀器欄、工作區等等。這款軟件有數字電子技術實驗常用的基本元器件庫、晶體庫和數字集成元器件庫等相關庫，極大地提高了數字電子實驗器件型號的可選性。軟件儀器欄提供了比實體實驗室還要齊全的電子電路測試儀器，足以滿足電子電路設計和測試的需求。

圖1 Multisim 軟件界面

3 線上虛擬仿真的數字電子技術實驗教學改革的目的

目前，數字電子技術實驗室的試驗臺比較陳舊，有一部分的電源、器件插孔、示波器、開關和時鐘等已損壞或者接觸不良，導致學生對課程的學習體驗差，學生的學習興趣嚴重下滑，同時引起課程教學質量差等問題。即使更換新的設備，由于實驗室不是開放性的實驗室，只在規定的時間內開放，同樣也會限制學生對學習的興趣。因此，很有必要提供一個線上的虛擬仿真實驗平臺，讓學生可以自由地選擇學習時間，提高學生對知識的渴望度。而數字電子電路用Multisim 軟件仿真得到的結果與實際電路得到的結果基本一致，測量儀器也比較齊全，可以完成很多目前我們實驗室不能完成的一些測試，給學生的自主創新設計提供了很大空間。目前，我們數字電子技術實驗室已購置一批全新的計算機和仿真平臺，給數字電子技術虛擬仿真提供了一個平臺。為培養與社會能快速融合的人才，僅靠線下的實踐教學是遠遠不夠的，還需要利用仿真實驗機制來提高實驗教學質量。

采用線上虛擬仿真的數字電子技術實驗教學模式目的有以下幾個方面。

（1）解決因實驗室設備問題導致的數字電子技術實驗課程教學質量差的問題。線上虛擬仿真實驗不受實驗室的限制，學生有的實驗知識在課堂中吸收不了的，課后還可以重復學習，給學生提供了復習的平臺。

（2）提升學生對專業學習的興趣。Multisim 軟件中的器件和儀器比較完善，足夠學生驗證和設計一些常見的電路。由于數字電子技術理論與實驗是不同的教師授課，學生就可以根據理論的進度在線上虛擬仿真平臺對理論知識進行驗證，可以加深學生對知識的理解和應用。

（3）提高數字電子技術實驗課堂教學質量。由于實體實驗室的設備及儀器老化，課堂教學質量一直得不到提升，虛擬仿真軟件可以保證器件和儀器的完好性，學生可以較好地完成課程實驗，給與學生一定的成就感，從而提高他們對這門課程的興趣。

（4）使培養的人才與社會接軌，在教學中及時更新虛擬仿真軟件，采用新的授課方式，加入新的實驗教學內容，不斷提高學生的知識水平。

4 線上虛擬仿真的數字電子技術實驗課程的建立

圍繞學校人才培養目標，依據專業和課程建設與人才培養目標相結合的原則，構建線上虛擬仿真的數字電子技術實驗課程教學。線上虛擬仿真實驗課程教學建立主要從課程內容、課程教學方法、課程教學模式和考核評價四個方面進行。如圖2 所示。

圖2 線上虛擬仿真的數字電子技術實驗課程體系

4.1 建立線上虛擬仿真實驗課程

數字電子技術實驗類型主要分為基礎型實驗、綜合設計型實驗和創新型實驗三類，如圖2 所示。

在本課程中安排2 ～3 次課的基礎實驗，包括器件功能的驗證和簡單電路的功能驗證。器件功能驗證主要是邏輯門的功能驗證，在Multisim 軟件中可以通過簡單電路測試，也可以通過邏輯轉換儀和邏輯分析儀來測試。設計電路的功能驗證可以通過觀察電路中的LED 燈或數碼管進行驗證，也可以使用Multisim 軟件中的示波器、頻率計、字發生器等儀器進行測試。

課程中安排3 次的綜合設計型實驗，主要是通過教師講解實驗中用到的原理知識，要求學生按要求使用Multisim 軟件設計出符合條件的電路。

創新型實驗是讓學生自主確定實現的功能，要求學生使用Multisim 軟件進行電路的設計和調試。

課程實驗內容的選取一定程度上影響學生對本門課程的學習興趣，選取生活中常見的產品或新的、熱門的產品電路作為課堂實驗內容，讓學生在日常生活中了解知識的用途，關注知識的應用，很容易就能提高學生的學習熱情。課后建立專門的數字電子技術實驗討論群，方便學生與學生、教師與學生之間的互動交流。

4.2 制定線上虛擬仿真實驗課程的考評機制

一套完整的課程考評機制對課程教學質量至關重要。完善的考評機制可以激勵學生認真學習，提高學生對課程的關注度。目前，線上教學平臺有很多學情信息統計，線上虛擬仿真數字電子技術實驗課程主要通過以下方面進行考評。

（1）到課率。無論線上還是線下課堂，到課率都是一個最基本的也是非常重要的考評指標，體現了學生對課程的參與度和重視程度，如果一個學生的到課率都不達標，說明該生的實驗實踐也就沒有達標。

（2）課堂實驗完成度及結果。通過學生提交課堂實驗文件，同時結合實驗完成過程以及完成質量來了解學生對每次數字電子技術實驗內容的掌握程度。

（3）創新性實驗的設計情況。通過創新實驗中的原理圖設計及測試可以了解學生對理論知識的掌握及運用情況。

（4）實驗過程和測試報告：要求學生將實驗過程和測試報告編寫形成一個文件提交給教師，培養學生撰寫測試報告的能力。

課程的成績由教師通過上述四個方面的情況進行綜合評定，應更多地關注學生的學習過程，關注學生的成長過程、自主探究和創新能力。

通過以上各方面綜合考察學生對課程的掌握，關注學生的學習過程，不僅可以提高學生的自主學習能力，還能培養學生發現問題、分析問題、解決問題和自主創新的能力，符合現今社會需求工程實踐型人才的培養的要求。

4.3 線上虛擬實驗課程教學方法

課程教學方法體現著教師的教學水平，本課程采用課前發布實驗任務、課堂組織教學、課后收集學生學情后進行教學反思的教學方法。

（1）課前發布任務。讓學生提前預習，鞏固相關的理論知識。使學生有充分的時間了解實驗的原理以及認識電路。

（2）課堂組織教學。用通俗易懂的語言給學生講解課程內容的重點、難點及易錯點等。在課堂教學有序進行的同時增強教師與學生、學生與學生之間的交流互動，讓學生在流動的知識中無意識地學到知識。

（3）課后收集學生學情后進行教學反思。收集學生的學習情況有助于教師了解學生對實驗的掌握程度，若發現大多數學生對實驗不理解、電路設計與測試無法實現等情況，便于教師反思教學方式及時調整教學方法。

4.4 教學模式

在本次數字電子技術實驗改革中采用的是線上教學的模式，教學過程錄播視頻上傳到我校的線上教學平臺，便于學生課后的回顧學習。

5 虛擬仿真數字電子技術實驗實踐舉例

在數字電子技術實驗教學中，我們完全借助Multisim 軟件進行實驗教學，下面使用基本門電路設計一個簡易型四人搶答器為例。

5.1 設計方法

根據設計要求，四人搶答只有一個人搶答成功。假設四人操作的開關為A、B、C、D，無人搶答時開關打開。若任何一人先搶答按下對應開關且保持閉合，則與其對應的指示燈被點亮，表示搶答成功；而其他三人再操作開關，其對應的指示燈都不會亮起。因此，搶答器對應的邏輯狀態如表1 所示。其中，La、Lb、Lc、Ld 表示指示燈，指示燈亮為1，不亮為0；A、B、C、D 為開關，按下閉合為1，否則，為0，×表示既可以為1 也可以為0。

表1 搶答器邏輯狀態表

根據邏輯狀態表得出，四人中只要有一人先搶答，其他人無論怎么操作指示燈都不亮，因此，可以通過四變量輸入的與非門和非門相結合。四輸入與非門其中一個輸入對應一個開關的輸入，其他三個輸入接另外三路與非門輸出，然后，在每個與非門的輸出端再接一個非門與指示燈連接，這樣就可以實現只有一人搶答成功的電路。

5.2 搶答器的電路設計及仿真

在Multisim 軟件中，我們設計電路，首先，要找出需要的元器件和設備。電路中使用的非門這里選用的是TTL 系列中的74LS04 型號，四輸入與非門選用的是TTL系列的74LS20型號。在器件欄中找到放置晶體管邏輯（TTL）這個圖標，然后點擊，出現如圖3 所示的界面，在系列中選中74LS，再在元件欄中選擇對應所需要的74LS20或74LS04放置到工作區即可。而5V電源和地線在圖4中的組中選擇，系列中選擇，元件中選則所需要的地線為DGND，5V電源為VCC。開關和電阻都是在圖4 組中的基本元器件中，開關在系列中，在元件欄可以選擇相應的SPST開關，也可以選擇其他的開關；電阻在系列中，在元件欄可以選擇所需阻值的電阻，也可以任選一個電阻放置到工作區后在修改阻值大小。指示燈在組系列中，元件中有各種顏色的指示燈，任選一種即可。也可以使用LED與電阻結合使用，LED在組系列中，元件中有各種顏色的LED 可以選擇。

圖3 器件選擇界面

圖4 搶答器電路圖

搶答器具體的電路接線如圖4 所示。

若J1、J2、J3 和J4 開關都打開，指示燈X1、X2、X3 和X4 都不亮。若開關J1 先按下，J2、J3 和J4 無論如何操作都只有X1 指示燈亮起，如圖5 所示。若開關J2 先按下，J1、J3 和J4 無論如何操作都只有X2 指示燈亮起。若開關J3 先按下，J1、J2 和J4 無論如何操作都只有X3 指示燈亮起。若開關J4 先按下，J1、J2 和J3 無論如何操作都只有X4 指示燈亮起。

圖5 J1 開關先按下的仿真結果圖

從上述仿真結果可以得出，該電路設計符合搶答器電路設計的要求。

6 結語

堅持“立德樹人，以人為本”的高校教育理念，培養社會需要的人才為目標。通過本次線上虛擬仿真的數字電子技術實驗課程教學的改革，不僅緩解了實驗室緊缺的問題，最主要的是提高了學生對課程學習的興趣，給學生提供了人性化、實踐性、開放性強的實驗教學環境。使學生在學習晦澀難懂的數字電子技術理論知識時，可以通過對電路的虛擬仿真加深對相關器件和電路的理解。通過課程內容和考核評價體系相結合，為培養研究型和應用型人才打下堅實的基礎。