基于EDA技術的數字電路虛擬仿真實驗教學探究

中圖分類號：G434文獻標識碼：A論文編號：1674—2117（2025）12-0097—05

引言

數字電路與數字邏輯是高等院校計算機類、電子電氣類、自動化類等專業的必修課程，涉及開關代數與邏輯、組合電路分析與設計、時序電路分析與設計等內容，理論性和實踐性都非常強，對培養學生的工程能力、動手操作和解決實際電子電路問題的能力有很好的支撐作用，是一門重要的工程基礎類課程。2然而，筆者在實際的教學中發現，該課程目前的教學模式存在著理論與實踐脫節、實踐平臺功能受限等問題，影響了學生的學習效果和課程目標的達成。而EDA（Electronic DesignAutomation）技術的應用可以改變傳統數字電路與數字邏輯的教學模式，使得大部分實驗通過虛擬仿真軟件的方式來完成4，從而大大提升實驗效率和學習效率。

當前，數字電路與數字邏輯課程的教學普遍存在以下問題[一是，理論教學與實驗教學脫節嚴重，不利于知識的吸收與內化。目前，該課程的教學理論部分在教室里授課，實踐環節在實驗室里開展，二者處于兩種物理隔離的環境，但該課程理論知識抽象，僅靠PPT或板書很難詳細描述電路的工作原理和動態變化，需要適時地搭配實驗操作或展示。然而，一般情況下教室與實驗室相距甚遠，不能滿足“邊理論邊實踐”的教學需要，甚至還會因為實驗室排課沖突問題，導致一個理論知識模塊講完數周后才能排到實驗課程。這些因素都導致理論和實踐環節脫離嚴重，不利于學生知識的掌握與及時運用。

二是，固定實驗箱的教學模式實驗內容單一，功能簡單，不利于培養學生解決復雜問題的能力。大多數實驗都是驗證性實驗，難度和綜合性均不足，且內容固定，常年不更新迭代，學生幾乎沒有選擇余地和發揮空間。這種實驗模式很難激發學生的興趣與挑戰欲，同時，固化的實驗內容也嚴重限制了學生的創造力。

三是，硬件實驗箱資金投入大，更新周期長，資源受限且易損壞。學校前期投入大量資金購置的實驗箱設備，隨著元器件的自然老化，以及多個平行班學生高頻次的使用，芯片和連線損壞嚴重，常需要返廠維修，影響正常教學的開展。此外，學生也常擔心損壞硬件設備，在實驗室畏手畏腳不敢大膽嘗試，這不利于培養其探索精神。

四是，在實驗箱與實驗室綁定的教學模式下，資源利用率低下，無法滿足學生課外自主學習以及開展高階開放性實驗的要求。由于實驗室房間資源有限，而實驗箱存放在固定實驗室，有時還會出現一個實驗室放置多種實驗設備以支撐多門課程分時段使用的情況，這些因素都使得學生只能在指定的時間段內開展實驗，而其他時間無法便捷地使用和探索，造成實驗設備資源的利用率非常低下。

基于EDA技術的虛擬仿真實驗教學模式

如上所述，基于實體硬件實驗箱的教學模式存在諸多限制與弊端，無法滿足新工科人才培養的需求。而將EDA技術引入課堂，對教學質量的提升具有非常重要的促進作用。

1.EDA工具的篩選

EDA在現代電子技術系統設計方面有著重要作用，它可以從系統總體要求出發，從行為描述、寄存器傳輸和邏輯綜合三個層次，將設計內容逐步細化，最后完成整體設計。同時，EDA技術提供了種類齊全、功能強大、界面真實的虛擬儀器和虛擬電子元器件，如萬用表、示波器、頻率計、LED/LCD模塊、多種FPGA/CPLD、MCU和MSI部件等，使用方便，操作靈活，這使得它在虛擬實驗教學方面體現出巨大的優勢。

EDA工具豐富多樣，每種工具都有自己的特色和優勢，需要教師根據具體知識模塊進行甄選。本課程選用的主要EDA工具如97頁表1所示。

此外，還可以選用一些集成型虛擬實驗臺軟件，如北斗一號數字電路虛擬仿真實驗軟件、春軟數字電路虛擬實驗系統等。

2.數字電路與數字邏輯虛擬實驗項目設計

根據數字電路與數字邏輯的教學內容和主要知識模塊，結合篩選的EDA工具，本課程設計的虛擬實驗項目如98頁表2所示。

以“數字邏輯與布爾代數”這個知識模塊為例，若采用北斗一號實驗系統軟件，可以開展上頁圖1所示的實驗。圖中可以選擇對應的門電路，通過面包板虛擬連線來驗證各類邏輯門電路的功能。

以“比較器”為例，若采用Quartus II+ModelSim的EDA工具，可以首先選擇相應系列的FPGA器件，對應Verilog或VHDL編程，然后寫TestBench文件，進行測試和仿真，其主要步驟如上頁圖2、圖3及圖4、圖5所示

以“LED數碼管綜合應用”這個知識模塊為例，采用Proteus可以設計諸如數字電子鐘、交通燈控制系統等數字系統（分別如圖6和下頁圖7所示），將前面所學的知識融會貫通到一個綜合性實例中，進一步加強知識的理解與運用。

當然，教師還可以以這些項目為例，啟發學生通過觀察生活發現問題，自擬題目，設計各類趣味性強、具有一定綜合性和實用價值的高階創新型實驗項目，并且從元器件選擇、電路圖設計、軟件編程與調試，到最后的結果驗證，以任務驅動的模式逐步完成，循序漸進地培養學生的工程實踐能力和創新意識。

3.虛擬實驗項目的考核方式

無論是課內相對比較簡單的虛擬實驗項目，還是以課程設計呈現的高階創新性自主虛擬實驗項目，都需要制訂詳細的考核標準。對于課內單個知識模塊的虛擬項目，重在考核對對應電路模塊的原理的理解和簡單運用，重在實驗步驟操作、代碼設計、仿真結果、波形分析與結論凝練，教師可以根據需要設定各項的權重比例。

但對于課程配套的課程設計，一般都需要學生根據實際生活場景進行實驗項目構思，以小組協作的形式設計高階創新性自主虛擬實驗項目（有時還可以根據學生的學習程度將虛擬實驗項目轉換為實物項目，讓學生開發具體實物作品），這時更加強調實驗項目的創意與構思、硬件電路設計、軟件編碼與調試。這類實驗項目需要學生提交作品、進行項目答辯并撰寫完整的實驗報告，以全過程、全方位地考核學生的實際水平。

教學效果

筆者以浙江工業大學計算機專業2020級和2021級2個年級共4個教學班為試點展開教學，在授課過程中將虛擬實驗項目穿插到理論講解中，適時演示實驗結果，明顯提高了學生的興趣。課程設計部分，可以讓學生以3～4人為一組開展具有創意的數字系統設計，采用Proteus原理圖設計與功能仿真，還可以讓學有余力的學生采用AltiumDesigner進行電路原理圖設計與PCB繪制，加工電路板，焊接電子元器件，形成實物作品。這種方式使學生學習熱情高漲，成就感十足，很好地鍛煉了其動手能力和解決實際問題的能力。

結語

基于EDA技術的虛擬仿真實驗項目是彌補當前數字電路實驗箱授課模式局限性的有效手段。同時，這種模式在課程設計方面為學生提供了更加廣闊的選擇余地和發揮空間，使其有機會根據自己的興趣設計具有實際應用價值的數字系統，并將其轉換為看得見摸得著的實物作品，使得課程所學的理論知識能夠有效“變現”。

參考文獻：

[1]張聰慧，邱崧．“數字邏輯電路實驗”課程教學改革與實踐[J.工業和信息化教育，2023（12）.54—56.

[2]王偉征，潘顯民.數字電路實驗教學改革的探索與實踐[J].計算機教育，2024（06）：162-166.

[3]海潔，龐學民.數字電子EDA的混合式教學實踐[J.集成電路應用，2023，40（06）：130-131.

[4]夏琬嬌，郭悅，魯小利.虛擬仿真在數字邏輯電路實驗教學中的應用[J.電子質量，2023（06）：73-77.

[5]魯鵬程，張麗艷，邵溫，等.面向工程實踐能力培養的數字邏輯實驗教學改革[J].計算機教育，2023（10）.87-91.

[6]田慕玲，王躍龍，李春葉.虛實融合三位一體的數字電路與邏輯設計實驗教學模式創新[J].中國教育技術裝備，2024（18）：126-131.

[7]曾浩，韓術，何偉.基于FPGA平臺的數字電子技術實驗開發[J.科教導刊，2023（04）.63-66.

[8]呂念芝.基于MuItisim與EDA技術的數字邏輯實驗教學改革研究[J].工業和信息化教育，2022（07）：5.

[9]李誼萍，劉鋒華，詹華群.暫態電路層次性Proteus虛擬仿真分析[J].計算機仿真，2023，40（02）.498–502.

第一作者簡介：雷艷靜（1979—），女，碩士生導師，研究方向為智能感知與控制。

項目資助：浙江省高等教育“十四五”教學改革項目（基于華為“智能基座”的產教聯育型創新實踐模式探究）；浙江工業大學校級教學改革項目（JG2023027，JG2023028，JG2023029）；浙江工業大學一流專業核心課程建設項目（專業創新實踐，匯編語言與微機接口）。