虛擬仿真技術(shù)在數(shù)字電路課程改革實(shí)踐中的應(yīng)用研究

【摘要】文章針對(duì)數(shù)字電路課程教學(xué)的若干問題提出改革的實(shí)施意見，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出有效的教學(xué)方法。將計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)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(hào)】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097(2010)07—0147—04

一 前言

數(shù)字電子技術(shù)是計(jì)算機(jī)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(shí)踐能力和解決問題的能力，因此，生動(dòng)形象的課堂教學(xué)和全面的實(shí)驗(yàn)體系對(duì)教學(xué)效果和知識(shí)的應(yīng)用能力有著非常重要的作用。然而，由于實(shí)驗(yàn)儀器的的老舊，數(shù)量有限，使得實(shí)驗(yàn)的開出率以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)展都受到限制。為順應(yīng)現(xiàn)代教育的發(fā)展，實(shí)施的現(xiàn)代化遠(yuǎn)程開放教育，將計(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)都利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真軟件將所學(xué)理論聯(lián)系實(shí)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(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)，簡(jiǎn)稱VR，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域。它由計(jì)算機(jī)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(shí)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(jìn)行交互[1]。

計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，是一種更高級(jí)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(shí)體。實(shí)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(jì)算機(jī)。實(shí)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(shí)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(duì)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(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)被淘汰，真正是學(xué)的沒用，用的沒學(xué)。現(xiàn)在的學(xué)生在學(xué)習(xí)中，非常關(guān)注所學(xué)知識(shí)的實(shí)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(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，講解傳統(tǒng)芯片的同時(shí)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(diǎn)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(duì)有些課程很有效，但是對(duì)計(jì)算機(jī)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(shí)、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(gè)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(shí)際應(yīng)用，有些是針對(duì)某部分內(nèi)容的很典型的例子，這些例子對(duì)于學(xué)生理解和掌握此部分知識(shí)非常有用。任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，就是教師布置一些運(yùn)用某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的題目，要求學(xué)生在課堂上有限的時(shí)間里做出來，并檢查完成情況。這樣學(xué)生對(duì)該節(jié)課所學(xué)知識(shí)從理論到應(yīng)用有了一個(gè)全方位的認(rèn)識(shí)，而且對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)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(jì)算機(jī)專業(yè)課程特有的一種教學(xué)方法，對(duì)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(jì)算機(jī)專業(yè)特點(diǎn)引入現(xiàn)代化教育技術(shù)和手段，很多典型例題用計(jì)算機(jī)仿真軟件在課堂驗(yàn)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(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，首先是實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)陋。很多高校數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括我校仍然使用老式實(shí)驗(yàn)箱，即由固定數(shù)字電路芯片搭建的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能按實(shí)驗(yàn)教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)按步驟做固定的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都是以芯片講解為主，目的是對(duì)芯片功能進(jìn)行驗(yàn)證。因此學(xué)生把實(shí)驗(yàn)課當(dāng)完成任務(wù)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)沒有促進(jìn)教學(xué)，相反影響了教學(xué)效果。很多新的芯片不能認(rèn)識(shí)和實(shí)踐，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與實(shí)際應(yīng)用的要求嚴(yán)重脫節(jié)。其次在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化，個(gè)別元件被損壞或接觸不良，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(fèi)了很多時(shí)間去排除故障，這樣做實(shí)驗(yàn)當(dāng)然激發(fā)不了學(xué)生的興趣，相反還會(huì)阻礙他們進(jìn)一步探索。再次，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只能停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)層次，學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和綜合應(yīng)用能力都得不到提高，利用電子電路的計(jì)算機(jī)虛擬仿真軟件multisilm10就可以解決這個(gè)問題，利用這個(gè)軟件可以自行設(shè)計(jì)集成電路，綜合應(yīng)用各種芯片，完成所有的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)[4]。在教學(xué)實(shí)施中，根據(jù)學(xué)生情況分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。

四 計(jì)算機(jī)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(shí)，可以現(xiàn)場(chǎng)用計(jì)算機(jī)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(jiǎn)單到復(fù)雜，由抽象到現(xiàn)實(shí)，循序漸進(jìn)地完成理論知識(shí)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(duì)于大部分同學(xué)來說都是難點(diǎn)，如何突破這個(gè)難點(diǎn)呢?利用軟件建立仿真電路，真實(shí)地展現(xiàn)輸出電壓隨輸入電壓的變化情況，就會(huì)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(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

大學(xué)生需要有獨(dú)立的設(shè)計(jì)能力和對(duì)電子器件的綜合應(yīng)用能力，這就決定了本課程的實(shí)驗(yàn)體系應(yīng)該是三個(gè)層次，在簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上必須開設(shè)有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。然而實(shí)驗(yàn)室有限的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱只能做幾個(gè)簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無法滿足設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)備要求。但是，利用電子電路的計(jì)算機(jī)仿真軟件就可以擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)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(yàn)證其正確性。同時(shí)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(shí)驗(yàn)課程中，提前給出了三種實(shí)驗(yàn)的一些題目和內(nèi)容，要求驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)必須都完成，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)可選做一至兩個(gè)，綜合性實(shí)驗(yàn)選做一個(gè)。下面簡(jiǎn)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(jì)實(shí)例。

要求用中、小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)一臺(tái)能顯示日、時(shí)、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(jì)算機(jī)若干臺(tái)，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(jì)方案，包括數(shù)字電子鐘的電路框圖和四個(gè)主要模塊的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，學(xué)生依據(jù)電路框圖和提示信息設(shè)計(jì)邏輯電路圖，并將其在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中用仿真電路實(shí)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(gè)實(shí)例可以看出虛擬仿真技術(shù)在課程實(shí)驗(yàn)中的重要作用。不但節(jié)省很多設(shè)備購置費(fèi)用，不受地點(diǎn)和環(huán)境的限制，而且和真實(shí)實(shí)驗(yàn)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(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)提出很多問題，在實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐中對(duì)這些問題進(jìn)行了探索，將計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)中，采用現(xiàn)代化教育手段進(jìn)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(jì)算機(jī)仿真演示，部分例題的計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證，增強(qiáng)其直觀性和真實(shí)性，加強(qiáng)學(xué)生的理解。實(shí)驗(yàn)教學(xué)也利用計(jì)算機(jī)仿真軟件，采用虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，擴(kuò)充建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室，擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在無需花費(fèi)很大代價(jià)的情況下，滿足了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)的條件，從而完成三個(gè)層次實(shí)驗(yàn)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。

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