易向東

摘 要：本文對(duì)數(shù)字電路課程教學(xué)改革進(jìn)行深入的研究，在教學(xué)過程中，為了有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，更好地掌握數(shù)字電路的課程內(nèi)容，提出數(shù)字電路教學(xué)改革思路，努力構(gòu)建成熟的虛擬仿真平臺(tái)，借助虛擬仿真軟件來將實(shí)驗(yàn)操作更好地仿真出來，擴(kuò)大現(xiàn)代電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵和外延，對(duì)現(xiàn)代數(shù)字電路課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究起到了有力的促進(jìn)作用。將數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目同虛擬仿真技術(shù)有效結(jié)合，是進(jìn)行數(shù)字電路課程教學(xué)改革的趨勢(shì)所在。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路 虛擬仿真 實(shí)踐 課程改革

中圖分類號(hào)：TN79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（a）-0225-02

數(shù)字電路課程是電子信息工程，電氣自動(dòng)化，機(jī)械制造及自動(dòng)化等工科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。該內(nèi)容理論性特別強(qiáng)，掌握數(shù)字電路分析的基本方法和基本技能，能給后續(xù)深入探究學(xué)習(xí)和工作予以堅(jiān)實(shí)的理論積淀。這門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以往都是在硬件上進(jìn)行的，學(xué)生完成了理論課，使用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作[2]。如果學(xué)生能夠在一個(gè)虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行對(duì)所學(xué)的知識(shí)實(shí)際模擬操作，學(xué)生可以對(duì)數(shù)字電路知識(shí)有更深刻的理解，對(duì)知識(shí)做到學(xué)以致用。因此，這就非常需要引進(jìn)虛擬仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上搭建一個(gè)適合學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電路課程的平臺(tái)[3]。

1 為什么要引入虛擬仿真技術(shù)

由于教材的單一，內(nèi)容的冗雜等原因，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生學(xué)習(xí)不到深刻的知識(shí)，而且還影響到教師的教學(xué)。這時(shí)就需要尋找一種既能在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中讓老師學(xué)到新的教學(xué)技術(shù)，認(rèn)識(shí)到新的虛擬仿真技術(shù)教學(xué)模式，學(xué)生也可以接觸到新的虛擬仿真教學(xué)技術(shù)。很顯然只有與現(xiàn)代社會(huì)技術(shù)息息相關(guān)，緊緊跟隨科技的腳步，引進(jìn)虛擬仿真技術(shù)，才能更好地完成知識(shí)的傳教，還能從根本上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和老師的教學(xué)熱情[4]。在課堂教學(xué)的應(yīng)用上，對(duì)集成線路以及門線路的教學(xué)期間，能夠在課上就借助軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)線路的模擬操作，如此學(xué)生們就能更好地去感知到線路作用原理情況以及各類芯片實(shí)施操作的具體實(shí)現(xiàn)信息[5]。從而把握其對(duì)應(yīng)著的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)。這樣，整個(gè)教育工作就是從原則到運(yùn)用，從單一到繁雜，從抽象到實(shí)際，逐步實(shí)現(xiàn)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)操作。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生需要訓(xùn)練自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和使用電子設(shè)備的綜合能力，而一般現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室只可以做一些相對(duì)簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不能做有特定需求以及綜合效用的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[6]。這時(shí)候使用虛擬仿真軟件就能夠很好地對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)容實(shí)現(xiàn)拓展，給出更多選擇的電子線路以及芯片類型，可以設(shè)計(jì)出任何想要實(shí)現(xiàn)的電路，以此檢驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容的準(zhǔn)確效果。同時(shí)，借助軟件的組態(tài)效用，用恰當(dāng)?shù)耐獠烤€路能夠得到各類型的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)的效果。

2 虛擬仿真平臺(tái)的建立與實(shí)施

第一步：安裝相應(yīng)的虛擬仿真技術(shù)軟件，選擇適合課程需要的虛擬仿真軟件。

第二步：安排任課老師進(jìn)行虛擬仿真軟件相關(guān)知識(shí)的培訓(xùn)。

第三步：根據(jù)課程教學(xué)大綱進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。

在利用虛擬仿真軟件進(jìn)行教學(xué)時(shí)，要注意以下幾個(gè)方面。

其一是對(duì)現(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)體系的管制和優(yōu)化，任教老師對(duì)相應(yīng)的虛擬仿真技術(shù)軟件的應(yīng)用、故障分析、故障處理等要有良好的理解。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的要求，對(duì)各類服務(wù)器進(jìn)行擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，并能應(yīng)對(duì)各種突發(fā)事件。有必要對(duì)操作系統(tǒng)的設(shè)定和管理實(shí)施有效地運(yùn)用進(jìn)行完善工作。

其二是對(duì)其網(wǎng)絡(luò)組成環(huán)境實(shí)現(xiàn)有效地確保安排。不單單要對(duì)各類技術(shù)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)高效率地運(yùn)用，還要確保整個(gè)實(shí)施期間的安全效用[8]。虛擬仿真系統(tǒng)集成最有效的網(wǎng)絡(luò)安全工具，如數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)防火墻、殺毒軟件、網(wǎng)絡(luò)嗅探、入侵檢測(cè)、數(shù)據(jù)加密之類，安裝這些能確保實(shí)驗(yàn)平臺(tái)安全性、完整性、有效性地開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，避免不必要的干擾和損害。

3 數(shù)字電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的開發(fā)

在開發(fā)實(shí)施實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建期間，完成了三個(gè)階段的工作。（1）根據(jù)確定的典型項(xiàng)目的典型工作任務(wù)和學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計(jì)，明確各組件和工具的選擇，同時(shí)準(zhǔn)備完成實(shí)驗(yàn)所需儀器等硬件設(shè)備的清單；（2）以模塊化設(shè)計(jì)理念的借鑒，對(duì)選取的硬件設(shè)備進(jìn)行分類與整合，確定虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的模塊組成和教學(xué)體系結(jié)構(gòu)，數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包括組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)，脈沖信號(hào)發(fā)生器等模塊內(nèi)容組成；（3）選取Multisim 10軟件為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)環(huán)境，在Multisim 10仿真環(huán)境下施行各模塊電路設(shè)計(jì)、編譯設(shè)計(jì)，功能模塊和各種典型的學(xué)習(xí)任務(wù)。在Multisim 10開發(fā)平臺(tái)下完成各數(shù)字電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作。

4 虛擬仿真教學(xué)模式的構(gòu)建

參照混合式學(xué)習(xí)理論以及建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論相關(guān)內(nèi)容的知識(shí)，并聯(lián)系新課程改革給出來的教學(xué)要求來實(shí)施模式的構(gòu)架工作，運(yùn)用信息化相關(guān)內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)探究模式的有效構(gòu)建。該模型由“項(xiàng)目引入、制定計(jì)劃、實(shí)施計(jì)劃”和“展覽與評(píng)估”四部分組成，在虛擬仿真環(huán)境中心模型的控制下，圍繞中心的四個(gè)環(huán)節(jié)形成一個(gè)環(huán)形序列[9]。以下以多路彩燈項(xiàng)目為例，介紹了該模型的實(shí)現(xiàn)過程。

多路彩燈項(xiàng)目是學(xué)生完成對(duì)數(shù)字線路內(nèi)容涉及以及知識(shí)開發(fā)運(yùn)用的重要學(xué)習(xí)項(xiàng)目。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的兩個(gè)74芯片產(chǎn)生的三態(tài)模型三計(jì)數(shù)器，16個(gè)周期的CP。用一個(gè)74161芯片給出來的co輸出部分實(shí)現(xiàn)對(duì)74芯片給出來的clk輸入部分的管控操作，如此確保各狀態(tài)都是連續(xù)作用到16個(gè)cp周期。兩片194芯片構(gòu)成顯示電路，對(duì)8燈實(shí)施輸出管控的是74194對(duì)應(yīng)的8個(gè)輸出部分。4個(gè)輸出端口兩個(gè)74得到的3個(gè)狀態(tài)，4個(gè)輸出端口被用來控制左、右移位控制終端。通過本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，使學(xué)生學(xué)會(huì)建立在數(shù)字電路的最小系統(tǒng)，了解數(shù)字電路的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，程序的設(shè)計(jì)方法和逐步掌握數(shù)字電路的知識(shí)系統(tǒng)。借助此類教學(xué)內(nèi)容來加強(qiáng)學(xué)生在發(fā)展效能、團(tuán)隊(duì)協(xié)作以及創(chuàng)造方面的力量，系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)展能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新能力。

根據(jù)項(xiàng)目的目標(biāo)，在“項(xiàng)目引入”的一部分，教授者需要擔(dān)負(fù)的任務(wù)是：其一，跟隨著仿真平臺(tái)的幫助下，對(duì)具體的實(shí)例安排以及目標(biāo)確定等做好規(guī)劃，給定具體的學(xué)習(xí)要求；其二，基于學(xué)生的已有知識(shí)和能力水平充分考慮，借助分組對(duì)學(xué)生進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)，具體安排完成時(shí)間和評(píng)價(jià)結(jié)果等內(nèi)容；其三，為學(xué)生提供必要的學(xué)習(xí)資源。

學(xué)生的活動(dòng)主要是通過觀察和分析，明確具體的任務(wù)，獨(dú)自或通過小組合作完成學(xué)習(xí)任務(wù)，通過需要完成的任務(wù)，學(xué)習(xí)到相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)和自己預(yù)期完成任務(wù)時(shí)能達(dá)到的水平，準(zhǔn)備相關(guān)的學(xué)習(xí)資源。

在“制定計(jì)劃”部分需要學(xué)生參照小組內(nèi)具體的執(zhí)行情況等，完成目標(biāo)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并對(duì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究所需操作進(jìn)行分析，明確對(duì)應(yīng)的知識(shí)內(nèi)容運(yùn)用情況等，做出基于虛擬仿真平臺(tái)的決策，劃定具體實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)施步驟。根據(jù)虛擬仿真平臺(tái)194左右鍵控制左移位的194芯片的右移順序等施行相關(guān)操作。為實(shí)驗(yàn)的實(shí)施做好準(zhǔn)備。

在該方案的施行過程中，需要學(xué)生參照給定的規(guī)劃來實(shí)施具體操作任務(wù)的執(zhí)行工作，借助平臺(tái)，老師能夠很好地對(duì)學(xué)生實(shí)施引導(dǎo)交互工作[10]。學(xué)生通過相關(guān)理論來實(shí)施操作，建構(gòu)知識(shí)，形成知識(shí)教學(xué)與實(shí)踐運(yùn)用的一體化。

5 教學(xué)實(shí)踐常見問題和解決方案

第一，可能新技術(shù)的應(yīng)用會(huì)使得剛開始接觸的老師不是很熟悉，需要參加一定的培訓(xùn)。還有就是教師在講解時(shí)一定要配合現(xiàn)在社會(huì)對(duì)于這個(gè)課程的實(shí)際運(yùn)用，時(shí)時(shí)聯(lián)系實(shí)際，才能讓學(xué)生學(xué)到知識(shí)時(shí)與現(xiàn)在的實(shí)際聯(lián)系起來，這才是學(xué)到真知識(shí)。

第二，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上可能會(huì)突發(fā)故障，所以需要多置備幾套工具，并且學(xué)校應(yīng)該配置幾名相應(yīng)的維護(hù)人員。可以是讓相關(guān)的教師定期參加相應(yīng)的培訓(xùn)。希望虛擬仿真技術(shù)教學(xué)模式的實(shí)踐能讓我們的教師與學(xué)生與時(shí)俱進(jìn)，在不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)的同時(shí)也能跟實(shí)際社會(huì)緊緊聯(lián)系在一起。

6 結(jié)論與建議

本文對(duì)數(shù)字電路教學(xué)實(shí)踐中存在的諸多不足之處進(jìn)行了分析，從多方面探討了實(shí)際教學(xué)期間需改進(jìn)的地方，明確了將虛擬仿真技術(shù)和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來的教學(xué)模式。在課堂教學(xué)中，我們給出了許多同此學(xué)科相關(guān)的教學(xué)安排內(nèi)容；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，借助具體的虛擬仿真軟件，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)有效聯(lián)系起來，構(gòu)建功能更加強(qiáng)大的虛擬仿真試驗(yàn)室。不但增加了實(shí)驗(yàn)可實(shí)施的操作內(nèi)容，而且所需要的投入也大量的縮減，更好地實(shí)現(xiàn)了綜合實(shí)驗(yàn)以及功能實(shí)驗(yàn)等的需求。因此，努力構(gòu)建成熟的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以借助相關(guān)虛擬仿真軟件來將實(shí)驗(yàn)操作更好地模擬出來，擴(kuò)大現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵和外延，對(duì)現(xiàn)代數(shù)字電路課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究起到了有力的促進(jìn)作用。

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