摘? 要：新工科背景下，為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，建設(shè)國(guó)家級(jí)一流本科課程，提出了一種新型的適用于電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)方法——實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真教學(xué)法，應(yīng)用于北航數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程。通過口袋儀器和實(shí)際硬件進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)，可解決虛擬仿真的真實(shí)性問題，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力；通過虛擬儀器展示波形，使知識(shí)難點(diǎn)可視化，有助于學(xué)生更快、更深刻理解。實(shí)踐表明，這種方法取得了良好的教學(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量。通過該教學(xué)方法學(xué)生獲得了更豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，培養(yǎng)了創(chuàng)新實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：實(shí)物在環(huán)仿真；口袋儀器；數(shù)字電路設(shè)計(jì)；虛擬儀器；知識(shí)難點(diǎn)可視化

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2024）02-0106-05

Abstract： Under the background of new engineering， in order to cultivate students' ability of innovation and practice and build a national first-class undergraduate course， a new teaching method suitable for the basic course of electronic technology， the hardware-in-loop real-time simulation teaching method， is proposed， which is applied to Fundamentals of Digital Electronic Technology course of Beihang University. Through the digital circuit design of pocket instrument and actual hardware， the authenticity of virtual simulation is solved， and the ability of students to solve complex engineering problems is cultivated. In addition， through the virtual instrument display waveform， the knowledge difficulties can be visualized， helping the students understand faster and deeplier. The practice shows that this method improves teaching quality. Through this kind of hardware-in-loop real-time simulation teaching method， students get a richer learning experience in the course of Fundamentals of Digital Electronic Technology， and are cultivated to have the ability of innovation.

Keywords： hardware-in-loop simulation; pocket bench; digital circuit design; virtual instrument; visualization of knowledge difficulties

“新工科”是基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)、立德樹人新要求而提出的我國(guó)工程教育改革方向[1]。為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，進(jìn)一步推動(dòng)工程教育改革創(chuàng)新，加快建設(shè)新工科，2017年2月開始，教育部多次召開新工科建設(shè)研討會(huì)，達(dá)成新工科建設(shè)“復(fù)旦共識(shí)”，構(gòu)建了新工科建設(shè)“天大行動(dòng)”，制定了新工科建設(shè)“北京指南”，標(biāo)志著我國(guó)高等工程教育進(jìn)入了新階段[2-3]。2018年6月，教育部在新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議上首次提出“金課”概念，并提出一流本科課程的“兩性一度”要求。對(duì)于北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化這類工科專業(yè)，其目標(biāo)都是培養(yǎng)學(xué)科基礎(chǔ)厚、工程能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的創(chuàng)新型人才。

數(shù)字電子技術(shù)課程是自動(dòng)化、電子信息、人工智能、通信等專業(yè)重要的核心工程基礎(chǔ)課，在電類課程體系中具有重要的作用。該課程以邏輯代數(shù)為基礎(chǔ)，邏輯性強(qiáng)，內(nèi)容豐富且較抽象，實(shí)踐性強(qiáng)，工程應(yīng)用廣，且與現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展緊密相連[4]。

為在新工科背景下培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維、自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新意識(shí)，推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)深度融合，引導(dǎo)學(xué)生選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、工具，進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建設(shè)一流本科課程，北京航空航天大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)團(tuán)隊(duì)秉承以學(xué)生為中心、成果為導(dǎo)向的研究性教學(xué)理念及國(guó)際工程教育理念，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式方法和考核方式等方面不斷改革和研究，多年探索形成了線上MOOC教學(xué)、線下研究性課堂教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)過程教學(xué)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)四位一體的線上線下混合教學(xué)模式，被評(píng)為“國(guó)家級(jí)線上線下混合式一流本科課程”。

在數(shù)字電子技術(shù)的線下研究性教學(xué)過程中，采用案例法、項(xiàng)目法等培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，使用虛擬仿真技術(shù)作為教學(xué)手段，主要使用Proteus、Multisim虛擬仿真軟件。這些軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字電子技術(shù)的理論課程的課堂教學(xué)和項(xiàng)目實(shí)踐中，可用于模擬和驗(yàn)證各種數(shù)字電路，包括組合邏輯電路、時(shí)序電路、模擬與數(shù)字轉(zhuǎn)換電路等[5-9]。本課程在基于案例的研究性教學(xué)及項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)過程教學(xué)中，學(xué)生通過Proteus、Multisim虛擬仿真軟件，建立數(shù)字電路模型并實(shí)時(shí)驗(yàn)證其功能與性能，加深了對(duì)數(shù)字電路原理的理解，獲得豐富的實(shí)踐和學(xué)習(xí)體驗(yàn)。然而，在實(shí)際教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)課程中存在真實(shí)性問題。虛擬仿真雖然能夠模擬數(shù)字電路的行為，但與實(shí)際硬件相比仍存在一定的差異，仿真結(jié)果可能不正確，這可能導(dǎo)致學(xué)生理論學(xué)習(xí)的困惑，以及在實(shí)際操作時(shí)面臨新的挑戰(zhàn)。

近幾年，隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，口袋儀器的性能得以提升，種類和應(yīng)用范圍得到了擴(kuò)展?？诖鼉x器作為一種體積小巧、輕便的便攜式儀器設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于電子工程、通信、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[10]。因此，本文提出一種實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真教學(xué)方法，由實(shí)際硬件電路、口袋儀器、計(jì)算機(jī)組成的實(shí)物在回路仿真系統(tǒng)，對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真與實(shí)時(shí)驗(yàn)證。這種口袋儀器小巧便攜，而筆記本電腦也是每一個(gè)大學(xué)生的標(biāo)配，所以，這套硬件系統(tǒng)在理論課堂使用非常方便。采用實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真教學(xué)方法與僅使用虛擬仿真軟件相比，用實(shí)際硬件替代虛擬硬件，用虛擬儀器技術(shù)為數(shù)字系統(tǒng)提供虛擬信號(hào)源、虛擬示波器等，既能克服虛擬仿真的真實(shí)性問題，又方便學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

一? 實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真教學(xué)法

針對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程實(shí)踐性強(qiáng)、工程應(yīng)用廣的特點(diǎn)，采用案例法和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行理論課教學(xué)，我們?cè)O(shè)計(jì)了護(hù)士臺(tái)呼叫顯示系統(tǒng)、血型匹配系統(tǒng)、BCD碼加法器、五人表決器、七人搶答器、溫控報(bào)警器和圖書館人員進(jìn)出控制系統(tǒng)等教學(xué)案例進(jìn)行線下研究性課堂教學(xué)，設(shè)計(jì)了按鈕時(shí)行人過街紅綠燈控制電路、數(shù)字電子鐘、出租車計(jì)價(jià)器、自動(dòng)售貨機(jī)等項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)過程教學(xué)。

在以往的理論教學(xué)中，采用Proteus或Multisim進(jìn)行案例和項(xiàng)目仿真，但虛擬仿真雖然能夠模擬數(shù)字電路的行為，但與實(shí)際硬件相比仍存在一定的差異，仿真結(jié)果可能不正確，存在真實(shí)性問題。近幾年，隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，以及由于新冠感染疫情期間不能線下上實(shí)驗(yàn)課，口袋儀器也逐漸應(yīng)用起來。清華大學(xué)研發(fā)了HPI-1000plus多功能口袋儀器，應(yīng)用于清華大學(xué)、北京科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、天津大學(xué)等約10所高校的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，以及電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中。

由于口袋儀器小巧便捷，我們將其引入到數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)理論課堂，提出了實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真教學(xué)方法。實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)軟硬件組成如圖1所示，在DCLK-2000數(shù)字電路面包板上搭建實(shí)際數(shù)字電路，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行“口袋實(shí)驗(yàn)室”應(yīng)用軟件，通過虛擬信號(hào)源和多功能口袋儀器產(chǎn)生數(shù)字電路的時(shí)序和控制信號(hào)；并實(shí)時(shí)采集數(shù)字電路的數(shù)字量或模擬量，通過多功能口袋儀器送至虛擬示波器觀察電路中的波形和信號(hào)，或送至虛擬邏輯分析儀分析數(shù)字電路中的信號(hào)和時(shí)序，構(gòu)成實(shí)物在回路的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

課程教學(xué)中，綜合運(yùn)用虛擬仿真和實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真方法，對(duì)教學(xué)案例和綜合項(xiàng)目進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)。引導(dǎo)學(xué)生建立項(xiàng)目工程化的思想，學(xué)習(xí)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程與項(xiàng)目開發(fā)方法，如圖2所示，對(duì)實(shí)際邏輯問題進(jìn)行分析，根據(jù)組合邏輯電路或時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)，畫出邏輯電路圖；用Proteus或Multisim軟件進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證；若驗(yàn)證正確則用實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真法搭建硬件電路驗(yàn)證；若正確則進(jìn)一步制作電路板，搭建并調(diào)試數(shù)字系統(tǒng)實(shí)際硬件電路，測(cè)試成功則完成實(shí)際數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。若任何一個(gè)步驟出現(xiàn)電路仿真驗(yàn)證與實(shí)際測(cè)試不正確時(shí)，都需查找原因，重新設(shè)計(jì)電路重復(fù)上述過程。對(duì)于功能簡(jiǎn)單的電路，可直接進(jìn)行實(shí)物在環(huán)仿真，而不必進(jìn)行虛擬仿真。在教學(xué)案例和綜合項(xiàng)目的數(shù)字電路設(shè)計(jì)時(shí)，不必進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的搭建與測(cè)試。通過對(duì)數(shù)字電路的實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真，逐步強(qiáng)化學(xué)生邏輯思維，提升學(xué)生電路設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐能力。

二? 教學(xué)案例實(shí)物化，克服虛擬仿真的真實(shí)性問題

（一）? 虛擬仿真的真實(shí)性問題

在數(shù)字電路仿真過程中，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題：對(duì)于圖3所示電路，用2-5-10進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器74LS90實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器。用Proteus軟件仿真是50進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)范圍為0～49，如圖4所示；而用Multisim軟件仿真結(jié)果是30進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)到49時(shí)，下一狀態(tài)為20，如圖5所示。兩種不同軟件仿真同一數(shù)字電路，得到不同結(jié)果，造成了學(xué)生困惑。這是由于仿真軟件在模擬實(shí)際芯片或數(shù)字電路的行為時(shí)，建立的芯片數(shù)學(xué)模型和仿真模型不能與實(shí)際物理模型完全一致，導(dǎo)致仿真的芯片性能與實(shí)際硬件芯片存在一定的差異，會(huì)出現(xiàn)真實(shí)性問題。不同仿真軟件的仿真模型建模粒度不同，結(jié)果可能不同。特別是對(duì)于異步時(shí)序電路，不僅僅需要考慮觸發(fā)信號(hào)的上升沿或下降沿的到達(dá)時(shí)刻，還需考慮激勵(lì)信號(hào)的建立時(shí)間、保持時(shí)間等因素，如果在虛擬仿真應(yīng)用軟件的器件建模和數(shù)字電路模擬中未充分考慮這些因素，都將會(huì)導(dǎo)致虛擬仿真與實(shí)際硬件相比仍存在一定的差異，導(dǎo)致虛擬仿真的不真實(shí)問題。這種問題不僅會(huì)在理論學(xué)習(xí)時(shí)引起學(xué)生的困惑，而且按虛擬仿真驗(yàn)證通過的電路設(shè)計(jì)在實(shí)際數(shù)字電路搭建時(shí)，實(shí)際操作測(cè)試與設(shè)計(jì)結(jié)果不一致，會(huì)面臨新的挑戰(zhàn)。

（二）? 實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真案例

對(duì)于虛擬仿真的真實(shí)性問題，采用實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真教學(xué)法。用實(shí)際芯片74LS90在面包板上搭建上述數(shù)字電路，用LED燈顯示兩片計(jì)數(shù)器的狀態(tài)。將面包板與口袋儀器相應(yīng)引腳連接，口袋儀器通過USB接口連接計(jì)算機(jī)，如圖6所示。

虛擬信號(hào)源輸出占空比為50%的幅值為5 V的TTL信號(hào)，通過口袋儀器給計(jì)數(shù)器74LS90提供時(shí)鐘信號(hào)，隨著時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)脈沖的到來，74LS90的計(jì)數(shù)狀態(tài)輸出發(fā)生變化，通過LED燈實(shí)時(shí)顯示。實(shí)時(shí)仿真結(jié)果顯示計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)狀態(tài)變化為0～49，即為50進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而此時(shí)的計(jì)數(shù)值是通過實(shí)際芯片計(jì)數(shù)獲得，是準(zhǔn)確值。

實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真方法，用實(shí)際芯片代替虛擬仿真器件，克服了虛擬仿真真實(shí)性問題引起的數(shù)字仿真準(zhǔn)確度不足的短板。同時(shí)，又利用了虛擬儀器技術(shù)，將信號(hào)源、示波器、邏輯分析儀等用仿真軟件實(shí)現(xiàn)，將實(shí)驗(yàn)室裝入口袋儀器，小巧便捷，可隨時(shí)隨地使用，方便在理論課堂上使用。實(shí)際使用時(shí)，對(duì)數(shù)字電路功能、性能影響較大且不易建模仿真的部分用實(shí)物搭建，構(gòu)成實(shí)物在回路實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，解決虛擬仿真的真實(shí)性問題。而對(duì)數(shù)字電路影響不大的部分采用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)，減少實(shí)際硬件電路，易于實(shí)現(xiàn)。

基于DCLK-2000數(shù)字電路套件和HPI-1000plus多功能口袋儀器，采用實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真教學(xué)法，在數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)理論課堂上，教學(xué)案例實(shí)物化，用實(shí)際芯片搭建硬件電路，進(jìn)行教學(xué)案例的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證，保證了數(shù)字電路的真實(shí)性與準(zhǔn)確性，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果。

三? 知識(shí)難點(diǎn)可視化，促進(jìn)知識(shí)快速深刻理解

針對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程內(nèi)容抽象、難點(diǎn)多的特點(diǎn)，采用實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真教學(xué)法，通過虛擬示波器、虛擬邏輯分析儀，以及面包板上的七段碼顯示器、LED燈等實(shí)時(shí)顯示數(shù)字電路狀態(tài)，可使知識(shí)難點(diǎn)可視化，促使學(xué)生對(duì)知識(shí)難點(diǎn)快速深刻理解。

例如，門電路這一章的知識(shí)內(nèi)容抽象難理解，因此，門電路部分是歷年答疑最多的教學(xué)內(nèi)容，也是MOOC課程上視頻觀看人數(shù)較多、觀看時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)的內(nèi)容。這里以CMOS非門電路的電壓傳輸特性和傳輸延時(shí)為例，介紹知識(shí)難點(diǎn)可視化方法。

（一）? CMOS非門電壓傳輸特性

帶輸入保護(hù)電路的六路反相器CD4069UBE內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示[11]，其邏輯關(guān)系為G=■，此時(shí)可面包板上用六路反相器CD4069搭建非門數(shù)字電路，如圖8所示，電源電壓接5 V，注意非門的輸入端不可懸空。

在電腦上，雙擊“口袋實(shí)驗(yàn)室”圖標(biāo)打開應(yīng)用軟件。點(diǎn)擊虛擬信號(hào)源，設(shè)置參數(shù)產(chǎn)生峰值為5 V的三角波，通過口袋儀器的AO1引腳送至非門輸入端A，并通過口袋儀器的AI1引腳送至虛擬示波器的通道A，將非門輸出端G通過口袋儀器的AI2引腳接至虛擬示波器的通道B，用虛擬示波器測(cè)量非門輸出端G與輸入端A的波形如圖9（a）所示，可以看到：當(dāng)輸入A為低電平時(shí)，PMOS管導(dǎo)通，NMOS管截止，輸出G為高電平；當(dāng)輸入A為高電平時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，PMOS管截止，非門輸出G為低電平；當(dāng)輸入信號(hào)A在閾值電壓2.5 V附近，即在2～3 V時(shí)，PMOS管和NMOS管同時(shí)導(dǎo)通，輸出電壓由兩個(gè)MOS管的導(dǎo)通電阻分壓獲得，在閾值電壓處發(fā)生快速翻轉(zhuǎn)。

將虛擬示波器接成X-Y模式，可以得到該非門的電壓傳輸特性曲線如圖9（b）所示。

（二）? CMOS非門傳輸延時(shí)特性

用虛擬電壓源給非門輸入端A提供峰峰值為5 V，頻率200 kHz的方波信號(hào)，將G和Z的信號(hào)分別送至虛擬示波器的通道A和B，波形如圖10所示。可以看到輸出發(fā)生變化與輸入變化之間有一個(gè)時(shí)間延遲，即非門的傳輸延時(shí)。

為方便測(cè)量，將G和Y的信號(hào)分別送至虛擬示波器的通道A和B，Y相當(dāng)于G有4個(gè)門電路的延時(shí)，調(diào)節(jié)Y與G的波形位置如圖11所示。將光標(biāo)浮停在兩個(gè)波形轉(zhuǎn)換50%處（即2.5 V處），測(cè)得的時(shí)間差除以4即得非門的傳輸延時(shí)約58 ns，與芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)一致[11]。

在理論分析非門的功能和性能特性時(shí)，通過口袋儀器對(duì)反相器CD4069加載輸入信號(hào)，并實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出信號(hào)，通過虛擬示波器直觀顯示，用圖形可視化技術(shù)顯示知識(shí)難點(diǎn)，促使同學(xué)們對(duì)知識(shí)難點(diǎn)快速深刻理解，同時(shí)加深了記憶，提高了教學(xué)效果。

四? 結(jié)束語

本文提出的實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真教學(xué)法，利用口袋儀器和實(shí)際數(shù)字電路，克服了虛擬仿真方法的真實(shí)性問題，具有教學(xué)案例實(shí)物化、知識(shí)難點(diǎn)可視化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了理實(shí)一體化的數(shù)字電子技術(shù)課堂教學(xué)。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中，將實(shí)物在環(huán)實(shí)時(shí)仿真方法與虛擬仿真方法相結(jié)合，培養(yǎng)新工科創(chuàng)新型人才，建設(shè)國(guó)家級(jí)一流本科課程。學(xué)生獲得了更豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，獲得了扎實(shí)的理論知識(shí)，培養(yǎng)了綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，提高了教學(xué)效果。學(xué)生反饋：“這種教學(xué)方法，結(jié)合實(shí)物有助于形象的理解，對(duì)知識(shí)理解更深刻，還可以應(yīng)用于暫穩(wěn)態(tài)、滯回曲線等光聽感覺不出來的地方”“用實(shí)物實(shí)現(xiàn)綜合項(xiàng)目，有成就感”。該教學(xué)方法除可應(yīng)用于數(shù)字電子技術(shù)理論課外，亦可用于電路分析、模擬電子技術(shù)等課程的理論教學(xué)。

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