【摘要】文章針對數(shù)字電路課程教學(xué)的若干問題提出改革的實施意見，結(jié)合實踐經(jīng)驗提出有效的教學(xué)方法。將計算機虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到課堂教學(xué)和實驗環(huán)節(jié)中，實現(xiàn)實驗教學(xué)的高層次目標(biāo)，有效地提高教學(xué)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真;數(shù)字電路;課程改革;教學(xué)方法

【中圖分類號】G420 【文獻標(biāo)識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)07—0147—04

一 前言

數(shù)字電子技術(shù)是計算機及通信類專業(yè)的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和解決問題的能力，因此，生動形象的課堂教學(xué)和全面的實驗體系對教學(xué)效果和知識的應(yīng)用能力有著非常重要的作用。然而，由于實驗儀器的的老舊，數(shù)量有限，使得實驗的開出率以及實驗內(nèi)容的擴展都受到限制。為順應(yīng)現(xiàn)代教育的發(fā)展，實施的現(xiàn)代化遠程開放教育，將計算機虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字電路教學(xué)中。其中理論教學(xué)結(jié)合多種教學(xué)方法和現(xiàn)代化的教育技術(shù)，將基礎(chǔ)知識和理論形象地表現(xiàn)出來，有助于學(xué)生理解。課堂教學(xué)和實驗教學(xué)都利用計算機虛擬仿真軟件將所學(xué)理論聯(lián)系實際，并加以應(yīng)用，在此研究基礎(chǔ)上提出了基于虛擬仿真技術(shù)的所有電子技術(shù)課程教學(xué)的新模式。

二 計算機虛擬仿真技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù)，簡稱VR，涉及計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等多個領(lǐng)域。它由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境——虛擬環(huán)境，可以逼真地模擬現(xiàn)實世界(甚至是不存在的)的事物和環(huán)境，人投入到這種環(huán)境中，立即有“親臨其境”的感覺，并可親自操作，與虛擬環(huán)境進行交互[1]。

計算機虛擬仿真技術(shù)，是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，利用計算機技術(shù)將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，是一種更高級的仿真技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)以構(gòu)建全系統(tǒng)統(tǒng)一的完整的虛擬環(huán)境為典型特征，并通過虛擬環(huán)境集成與控制為數(shù)眾多的實體。實體可以是模擬器，也可以是其他的虛擬仿真系統(tǒng)，更多的是計算機。實體在虛擬仿真軟件所提供構(gòu)建的環(huán)境中相互作用，以表現(xiàn)客觀世界的真實特征。虛擬仿真技術(shù)的這種集成化、虛擬化與網(wǎng)絡(luò)化的特征，可以滿足現(xiàn)代教育的發(fā)展需求[1]。

三 課程教學(xué)的若干問題及改革研究

對于理論教學(xué)環(huán)節(jié)，首先是教學(xué)內(nèi)容陳舊。當(dāng)前大中專院校所用的教材內(nèi)容都是十幾年前的，即便是近幾年出版的教材，也只是內(nèi)容的深淺不同，體系結(jié)構(gòu)基本相同。比如教材中主要說明的74LS系列的芯片在目前實際應(yīng)用中已經(jīng)被淘汰，真正是學(xué)的沒用，用的沒學(xué)?，F(xiàn)在的學(xué)生在學(xué)習(xí)中，非常關(guān)注所學(xué)知識的實用性，如果不能學(xué)以致用，就影響到學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性。因而在課程教學(xué)中要及時更新教學(xué)內(nèi)容，講解傳統(tǒng)芯片的同時多介紹一些現(xiàn)在普遍使用的芯片，當(dāng)然也要根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)程度，最大可能激發(fā)學(xué)生的興趣[3]。

其次是教學(xué)方法。常用的教學(xué)方法無非就是這幾種:講授法、討論法、談話法、閱讀指導(dǎo)法。根據(jù)課程的特點和教學(xué)要求，不能一成不變的套用傳統(tǒng)的教學(xué)方法。這些方法對有些課程很有效，但是對計算機課程不一定全部適合，因此需要探索適合本課程需求的新的教學(xué)方法。筆者在教學(xué)中通常有如下幾種方法:講授法，這是傳統(tǒng)的教學(xué)方法，教師口述基本事實、原理和推理過程。部分定理，原理及產(chǎn)品采用講授法。例舉法，就是以典型例題說明某個定理或元件的應(yīng)用，這是本課程用的最多的一種方法。在數(shù)字電路課程中有很多芯片的實際應(yīng)用，有些是針對某部分內(nèi)容的很典型的例子，這些例子對于學(xué)生理解和掌握此部分知識非常有用。任務(wù)驅(qū)動法，就是教師布置一些運用某個知識點的題目，要求學(xué)生在課堂上有限的時間里做出來，并檢查完成情況。這樣學(xué)生對該節(jié)課所學(xué)知識從理論到應(yīng)用有了一個全方位的認識，而且對每個知識點掌握得都比較透徹，這是近年來比較流行的一種教學(xué)方法，也是計算機專業(yè)課程特有的一種教學(xué)方法，對提升教學(xué)效果有顯著作用。

再次是教學(xué)手段，不是單純的使用多媒體課件，而是結(jié)合計算機專業(yè)特點引入現(xiàn)代化教育技術(shù)和手段，很多典型例題用計算機仿真軟件在課堂驗證，讓學(xué)生直觀形象地了解電路的工作情況，從而掌握電路或芯片的應(yīng)用。

對于實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，首先是實驗設(shè)備簡陋。很多高校數(shù)字電路實驗設(shè)備包括我校仍然使用老式實驗箱，即由固定數(shù)字電路芯片搭建的實驗，學(xué)生只能按實驗教材設(shè)計的實驗按步驟做固定的實驗，實驗內(nèi)容都是以芯片講解為主，目的是對芯片功能進行驗證。因此學(xué)生把實驗課當(dāng)完成任務(wù)，實驗環(huán)節(jié)沒有促進教學(xué)，相反影響了教學(xué)效果。很多新的芯片不能認識和實踐，使得實驗教學(xué)方法與實際應(yīng)用的要求嚴(yán)重脫節(jié)。其次在實驗教學(xué)過程中，由于實驗設(shè)備老化，個別元件被損壞或接觸不良，導(dǎo)致學(xué)生實驗中，出現(xiàn)一些問題，電路連接完全正確，但是就是得不到正確結(jié)果，結(jié)果費了很多時間去排除故障，這樣做實驗當(dāng)然激發(fā)不了學(xué)生的興趣，相反還會阻礙他們進一步探索。再次，由于實驗條件的限制，實驗項目只能停留在驗證性實驗層次，學(xué)生的設(shè)計能力和綜合應(yīng)用能力都得不到提高，利用電子電路的計算機虛擬仿真軟件multisilm10就可以解決這個問題，利用這個軟件可以自行設(shè)計集成電路，綜合應(yīng)用各種芯片，完成所有的數(shù)字電路實驗[4]。在教學(xué)實施中，根據(jù)學(xué)生情況分驗證性實驗、設(shè)計性實驗和綜合性實驗三個層次完成實驗教學(xué)目標(biāo)。

四 計算機虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用

1 課堂教學(xué)中的應(yīng)用

在課堂講到門電路的工作原理或集成電路的應(yīng)用時，可以現(xiàn)場用計算機仿真軟件演示電路的工作過程，使學(xué)生更好地理解門電路的工作原理和芯片的工作情況。從而掌握電路的應(yīng)用。這樣，教學(xué)過程是由原理到應(yīng)用，由簡單到復(fù)雜，由抽象到現(xiàn)實，循序漸進地完成理論知識的學(xué)習(xí)。數(shù)字電路的基本單元是門電路，那么理解其工作原理非常重要，但是此部分對于大部分同學(xué)來說都是難點，如何突破這個難點呢?利用軟件建立仿真電路，真實地展現(xiàn)輸出電壓隨輸入電壓的變化情況，就會獲得很好的效果。下面是利用仿真軟件說明TTL與非門工作原理的課堂實例:

(1) Vi=0V，輸入接低電平。那么Q1導(dǎo)通，Vb1=0.8V，Ib5<0，Q2截止。由于Vc2=4.989V，Vbe3=4.989―4.207=0.782V，Vbe4=4.207―3.637=0.57V，導(dǎo)致Q3、Q4導(dǎo)通。而Vb5=0.086V，使Q5截止。Vo=3.637V，輸出高電平。其電路仿真如圖1:

(2) Vi=3.6V，輸入高電平。那么Q1的發(fā)射極電流從發(fā)射極(0.852mA)流入，從集電極流出，Q1的發(fā)射極和集電極倒置狀態(tài)。Vb1=2.443V，Vb5=0.843V，Vbc1+Vbe2=2.443-0.843=1.6V，導(dǎo)致Q2、Q5導(dǎo)通。由于Vc2=0.886V，Q4、Q5截止。輸出Vo=0.018V。其電路仿真如圖2:

2 實驗教學(xué)中的應(yīng)用

大學(xué)生需要有獨立的設(shè)計能力和對電子器件的綜合應(yīng)用能力，這就決定了本課程的實驗體系應(yīng)該是三個層次，在簡單的驗證性實驗的基礎(chǔ)上必須開設(shè)有創(chuàng)造性的設(shè)計性實驗和綜合性實驗。然而實驗室有限的數(shù)字電路實驗箱只能做幾個簡單的驗證性實驗，無法滿足設(shè)計性實驗和綜合性實驗的設(shè)備要求。但是，利用電子電路的計算機仿真軟件就可以擴展實驗室，提供所需要的一切電子元件和芯片，搭建任意難度，任意復(fù)雜的電路，并驗證其正確性。同時利用仿真軟件的可配置性，配合適當(dāng)?shù)耐鈬娐房勺龀龆喾N不同的應(yīng)用。在實驗課程中，提前給出了三種實驗的一些題目和內(nèi)容，要求驗證性實驗必須都完成，設(shè)計性實驗可選做一至兩個，綜合性實驗選做一個。下面簡要說明學(xué)生利用仿真軟件選做的數(shù)字電子鐘邏輯電路的設(shè)計實例。

要求用中、小規(guī)模集成電路設(shè)計一臺能顯示日、時、分秒的數(shù)字電子鐘，選用器材主要有:安裝有仿真軟件的計算機若干臺，集成電路(CD4060、74LS74、74LS161、74LS248)，晶振、電阻、電容若干，數(shù)碼顯示管，三極管、開關(guān)若干。

提示設(shè)計方案，包括數(shù)字電子鐘的電路框圖和四個主要模塊的實現(xiàn)細節(jié)，學(xué)生依據(jù)電路框圖和提示信息設(shè)計邏輯電路圖，并將其在虛擬實驗環(huán)境中用仿真電路實現(xiàn)。下面給出數(shù)字電子鐘的電路框圖。

篇幅所限，參考電路就不給出，但是通過這個實例可以看出虛擬仿真技術(shù)在課程實驗中的重要作用。不但節(jié)省很多設(shè)備購置費用，不受地點和環(huán)境的限制，而且和真實實驗具有相同的效果。既然如此，為什么不廣泛應(yīng)用呢?

五 總結(jié)

論文對數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)提出很多問題，在實際的教學(xué)實踐中對這些問題進行了探索，將計算機虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)中，采用現(xiàn)代化教育手段進行課程改革。課堂教學(xué)提出了很多適合本課程并行之有效的教學(xué)方法，重要電路工作情況的計算機仿真演示，部分例題的計算機仿真驗證，增強其直觀性和真實性，加強學(xué)生的理解。實驗教學(xué)也利用計算機仿真軟件，采用虛擬實驗和真實實驗相結(jié)合的方式，擴充建立了虛擬實驗室，擴展了實驗內(nèi)容，在無需花費很大代價的情況下，滿足了設(shè)計性實驗和綜合性實驗的條件，從而完成三個層次實驗體系的建設(shè)。在本文的研究基礎(chǔ)上，可將虛擬仿真技術(shù)推廣應(yīng)用到所有電子技術(shù)課程教學(xué)中，引發(fā)電子技術(shù)課程改革的新局面。

參考文獻

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