基于Multisim《數(shù)字電子技術(shù)》課程教學(xué)實(shí)施與應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

王 琰

（連云港廣播電視大學(xué)，江蘇 連云港 222006）

一、基于Multisim教學(xué)實(shí)施背景

《數(shù)字電子技術(shù)》課程是電氣自動(dòng)化、應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等專業(yè)必修的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，其不僅具有完整的理論體系還是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在課程體系中起著重要作用，為微機(jī)原理、單片機(jī)技術(shù)等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。其培養(yǎng)目標(biāo)要求學(xué)生在掌握數(shù)字電路基本理論知識(shí)及分析設(shè)計(jì)電路的方法同時(shí)還要具備對(duì)數(shù)字電路分析、設(shè)計(jì)、維修、調(diào)試等重要實(shí)踐技能，以滿足社會(huì)專業(yè)職業(yè)崗位對(duì)應(yīng)用型、技能型人才的需求。針對(duì)以上的培養(yǎng)目標(biāo)我們?cè)凇稊?shù)字電子技術(shù)》課程中通過(guò)電路自動(dòng)化仿真設(shè)計(jì)軟件Multisim實(shí)施仿真教學(xué)。實(shí)施的對(duì)象為電氣自動(dòng)化、應(yīng)用電子技術(shù)、汽車(chē)維修技術(shù)等專業(yè)班級(jí)。

二、基于Multisim的教學(xué)實(shí)施方法

Multisim在《數(shù)字電子技術(shù)》課程教學(xué)中的實(shí)施主要體現(xiàn)在課堂理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)教學(xué)三方面。

（一）在課堂理論教學(xué)中的實(shí)施

在課堂理論教學(xué)中加大仿真演示和仿真測(cè)試的環(huán)節(jié)。為了將電路仿真技術(shù)有效地應(yīng)用到理論教學(xué)中對(duì)《數(shù)字電子技術(shù)》課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了項(xiàng)目化整合如項(xiàng)目一加法計(jì)算器的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目二搶答器的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目三計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目四數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)四個(gè)典型項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目又分為數(shù)個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊又細(xì)分為若干個(gè)任務(wù)，分層次由底層到高層、由淺入深展開(kāi)教學(xué)。課堂教學(xué)過(guò)程主要包括復(fù)習(xí)舊知識(shí)、引入新知識(shí)、講解新知識(shí)、學(xué)生做一做幾個(gè)階段，電路仿真教學(xué)主要實(shí)施后三個(gè)階段。在引入新知識(shí)階段教師先調(diào)取設(shè)計(jì)好的與新知識(shí)相關(guān)的仿真案例在仿真環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示電路，為學(xué)生提供一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，此時(shí)學(xué)生會(huì)很好奇問(wèn)：“這是什么電路？”、“這是什么元件”等諸如此類的問(wèn)題，此時(shí)教師通過(guò)演示可以告知學(xué)生該電路的功能和名稱，并明確表示本課程就學(xué)這個(gè)電路，明確本課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，這樣就可以在仿真情境中讓學(xué)生帶著問(wèn)題和好奇進(jìn)入講解新知識(shí)階段。在講解新知識(shí)階段教師在講解電路功能原理的同時(shí)教師配以同步的仿真電路的搭建、仿真運(yùn)行、實(shí)時(shí)測(cè)量、調(diào)試甚至可以故意設(shè)計(jì)一些故障供學(xué)生觀看運(yùn)行效果，根據(jù)效果分析電路現(xiàn)象，以便通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證剛學(xué)的理論知識(shí)，使學(xué)生對(duì)電路功能原理的分析變的具體、生動(dòng)、直觀、有趣，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和記憶，實(shí)現(xiàn)理論與虛擬實(shí)踐的同步。新知識(shí)講完后教師可以提出一些問(wèn)題要求學(xué)生思考并通過(guò)親自獨(dú)立創(chuàng)建仿真電路包括搭建、仿真運(yùn)行、仿真測(cè)量來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證和解答，并以書(shū)面作業(yè)的形式提交。

（二）在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)施

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用仿真實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的模式。實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行?yàn)證所學(xué)的理論知識(shí)，與理論是相互依存關(guān)系。實(shí)驗(yàn)主要包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和拓展性實(shí)驗(yàn)。

1.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，一般用來(lái)驗(yàn)證某集成芯片的輸入輸出邏輯關(guān)系以便驗(yàn)證該集成芯片的功能。在學(xué)生驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)操作之前教師通過(guò)Multisim仿真環(huán)境先對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行仿真包括元件的選取、仿真連線、運(yùn)行、測(cè)量、調(diào)試直至獲得實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)等整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)仿真演示，使學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程有感性認(rèn)識(shí)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蠹耙_(dá)到的效果，同時(shí)仿真測(cè)量得到的數(shù)據(jù)可以為學(xué)生進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量提供參考和依據(jù)，也可以仿真一些故障電路的運(yùn)行效果讓學(xué)生了解故障現(xiàn)象。

2.拓展性實(shí)驗(yàn)。拓展性實(shí)驗(yàn)是在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上為其培養(yǎng)學(xué)生對(duì)拓展性實(shí)驗(yàn)電路具有初步的電路分析和設(shè)計(jì)及安裝調(diào)試能力開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)。如用 74LS161接成十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器等。在教學(xué)中要求學(xué)生根據(jù)功能要求先用 Multisim設(shè)計(jì)出仿真電路圖并進(jìn)行仿真運(yùn)行測(cè)量調(diào)試，對(duì)電路設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化后再進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作。設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)生可以在仿真環(huán)境中按不同的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行電路的搭建和運(yùn)行及方案比較，選出其中最優(yōu)的方案進(jìn)行實(shí)際操作。確保實(shí)驗(yàn)操作科學(xué)性及合理性。

（三）課程設(shè)計(jì)教學(xué)中的實(shí)施

課程設(shè)計(jì)是《數(shù)字電子技術(shù)》課程的一項(xiàng)重要綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生得到綜合系統(tǒng)性、實(shí)踐性及項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力的訓(xùn)練與培養(yǎng)。通常以項(xiàng)目為引領(lǐng)如數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)、八路搶答器的設(shè)計(jì)等。其教學(xué)過(guò)程主要包括提出問(wèn)題和設(shè)計(jì)要求、方案論證、學(xué)生查閱資料、功能模塊仿真設(shè)計(jì)、總電路圖的仿真設(shè)計(jì)、實(shí)際電路的制作、調(diào)試及撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告等幾個(gè)環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)初期教師利用某項(xiàng)目仿真案例演示運(yùn)行向?qū)W生講解項(xiàng)目電路的功能模塊結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方法，使學(xué)生了解課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程并掌握基本設(shè)計(jì)方法，可以集中輔導(dǎo)也可分組輔導(dǎo)。在學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目電路設(shè)計(jì)過(guò)程中教師嚴(yán)格要求學(xué)生進(jìn)行各模塊和對(duì)總電路圖的仿真設(shè)計(jì)，主要包括電路仿真搭建、運(yùn)行、調(diào)試并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)仿真電路進(jìn)行不斷優(yōu)化。教師給予一定的指導(dǎo)。項(xiàng)目電路需先在 Multisim仿真環(huán)境中調(diào)試通過(guò)才允許進(jìn)行硬件的安裝與調(diào)試，提高設(shè)計(jì)過(guò)程的科學(xué)性，避免因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤在硬件安裝時(shí)在人力、財(cái)力和時(shí)間上投入與浪費(fèi)。

三、基于Multisim教學(xué)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

將 Multisim仿真技術(shù)實(shí)施到《數(shù)字電子技術(shù)》教學(xué)中通過(guò)對(duì)教師的訪談和對(duì)學(xué)生的問(wèn)卷調(diào)查分析分別從教師教學(xué)角度、學(xué)生學(xué)習(xí)角度及最終的教學(xué)考核評(píng)價(jià)三方面進(jìn)行分析。

（一） 教師對(duì)教學(xué)應(yīng)用效果的評(píng)價(jià)

在該項(xiàng)研究過(guò)程中對(duì)我校三位從事該課程的教師進(jìn)行了訪談，并對(duì)訪談的內(nèi)容進(jìn)行了整理。首先將 Multisim仿真技術(shù)實(shí)施到教學(xué)中，教師自身利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)能力得到提高，有利于推進(jìn)仿真教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、項(xiàng)目教學(xué)法等教學(xué)方法的改革，促進(jìn)教師具有更先進(jìn)的教學(xué)理念和科學(xué)教學(xué)方法。其次，課前由于教師需將課堂要講的邏輯電路先要在仿真環(huán)境中搭建好且仿真運(yùn)行和仿真測(cè)量與調(diào)試使得課前教學(xué)設(shè)計(jì)更合理，備課更充分，內(nèi)容更豐富從而進(jìn)一步使課堂教學(xué)更得心應(yīng)手，提高了自身的教學(xué)業(yè)務(wù)能力的同時(shí)提升了課堂教學(xué)質(zhì)量。第三，教學(xué)內(nèi)容由抽象、枯燥向具體、生動(dòng)、直觀和趣味性轉(zhuǎn)變，通過(guò)虛擬仿真電路的同步演示，原本繁雜、難懂的“0”、“1”代碼和表示邏輯電路輸入與輸出邏輯關(guān)系的真值表也變得生動(dòng)鮮活起來(lái)。通過(guò)一個(gè)典型的電路仿真案例就可以將教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)以直觀生動(dòng)的方式向?qū)W生表達(dá)清楚，教師教的輕松同時(shí)提升了教學(xué)質(zhì)量。第四將 Multisim實(shí)施教學(xué)中實(shí)現(xiàn)理論與虛擬實(shí)踐相同步，使學(xué)生所聽(tīng)即所見(jiàn)幫助學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解和記憶。

（二）學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)應(yīng)用效果的評(píng)價(jià)

以問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)我校 53名學(xué)生進(jìn)行關(guān)于“基于Multisim《數(shù)字電子技術(shù)》課程教學(xué)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)調(diào)查問(wèn)卷”，發(fā)出問(wèn)卷53份，收回有效問(wèn)卷53份，問(wèn)卷包括選擇題和問(wèn)答題。并對(duì)調(diào)查問(wèn)卷情況進(jìn)行了整理。如果不采用仿真教學(xué)有 76%的同學(xué)認(rèn)為理論內(nèi)容抽象且 57%的同學(xué)認(rèn)為學(xué)習(xí)數(shù)字電路的主要難度在于理論和實(shí)踐知識(shí)的學(xué)習(xí)。將Multisim引入教學(xué)中首先有 91%的學(xué)生認(rèn)為可以提高上課注意力和增加學(xué)習(xí)興趣，激活學(xué)生的學(xué)習(xí)思維，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和好奇心。第二，有83%的學(xué)生認(rèn)為能使課堂氣氛活躍且和老師互動(dòng)積極，原本難以理解和記憶的電路功能原理和電路輸入及輸出邏輯關(guān)系頓時(shí)變的簡(jiǎn)單化、直觀化和生動(dòng)有趣。第三93%學(xué)生認(rèn)為能加深對(duì)理論知識(shí)的記憶、87%學(xué)生認(rèn)為還能加強(qiáng)對(duì)電路功能原理的理解，84%認(rèn)為能加深電路的感性認(rèn)識(shí)。第四98%學(xué)生認(rèn)為理論與仿真實(shí)踐實(shí)現(xiàn)了同步結(jié)合，學(xué)生通過(guò)對(duì)電路仿真搭建、測(cè)試和調(diào)試體驗(yàn)學(xué)中做做中學(xué)，增加了電路直觀體驗(yàn)，增加學(xué)習(xí)的主動(dòng)性使學(xué)習(xí)過(guò)程變得輕松、快樂(lè)，提高了聽(tīng)課的效率。學(xué)生由“要我學(xué)”的被動(dòng)學(xué)習(xí)模式向“我能學(xué)”“我要學(xué)”的積極自主性學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變，真正成為教學(xué)活動(dòng)主體。第五，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中利用仿真技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程突出自主性強(qiáng)、設(shè)計(jì)思路靈活、大膽、開(kāi)放的特點(diǎn)，有85%的同學(xué)認(rèn)為提高了學(xué)生電路設(shè)計(jì)和實(shí)踐操作能力同時(shí)激發(fā)了創(chuàng)新意識(shí)、提高了分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生自主探究能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。86%的同學(xué)對(duì)開(kāi)放性虛擬實(shí)驗(yàn)室很感興趣，89%的同學(xué)認(rèn)為將 Multisim應(yīng)用在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的總體效果很好，值得推薦。

對(duì)“在學(xué)習(xí)過(guò)程中您認(rèn)為能完全依賴 Multisim虛擬實(shí)驗(yàn)室而脫離現(xiàn)實(shí)實(shí)踐環(huán)節(jié)嗎？請(qǐng)說(shuō)一說(shuō)原因?！钡膯?wèn)答題中100%的同學(xué)認(rèn)為不能脫離現(xiàn)實(shí)實(shí)踐。認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)必定是虛擬的，與現(xiàn)實(shí)實(shí)踐相差很大只能作為教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的輔助工具，能幫助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理論學(xué)習(xí)，降低學(xué)習(xí)難度，方便操作，所學(xué)的知識(shí)最終還要更好地運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)實(shí)踐中。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的數(shù)據(jù)過(guò)于理論化，完美化，現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量誤差和有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很難用仿真虛擬出來(lái)，仿真虛擬操作無(wú)法真正替代現(xiàn)實(shí)實(shí)踐操作。現(xiàn)實(shí)實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)實(shí)實(shí)踐中得到的數(shù)據(jù)才是真實(shí)的，通過(guò)現(xiàn)實(shí)實(shí)踐更能增加自身對(duì)電路實(shí)體的認(rèn)知，只有靠自己對(duì)現(xiàn)實(shí)元器件進(jìn)行連線、測(cè)量、調(diào)試等親自融入實(shí)際實(shí)踐操作才能真正深有感觸，積累更多的經(jīng)驗(yàn)，才能更充分更透徹理解理論知識(shí)，完全依賴 Multisim仿真環(huán)境容易造成對(duì)實(shí)踐知識(shí)和實(shí)踐技能的“開(kāi)路”。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)相結(jié)合可以達(dá)到很好的學(xué)習(xí)效果。

（三）考核結(jié)果對(duì)教學(xué)應(yīng)用效果的評(píng)價(jià)

通過(guò)近年對(duì)應(yīng)用電子技術(shù)、電氣自動(dòng)化專業(yè)、計(jì)算機(jī)、汽車(chē)維修等專業(yè)實(shí)施的仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)及對(duì)考試考核成績(jī)跟蹤，數(shù)字電子技術(shù)與其他課程相比成績(jī)都有顯著提高。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的完成質(zhì)量提高，整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)完成的過(guò)程也越發(fā)科學(xué)規(guī)范，特別是學(xué)生的綜合實(shí)踐能力得到增強(qiáng)，在應(yīng)用電子技術(shù)和電氣自動(dòng)化兩個(gè)專業(yè)每年進(jìn)行的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)師（電子CAD）考核通過(guò)率都達(dá)100%。

四、結(jié)語(yǔ)

將虛擬仿真技術(shù)實(shí)施到整個(gè)《數(shù)字電子技術(shù)》課程教學(xué)中將仿真實(shí)踐與現(xiàn)實(shí)實(shí)踐完美結(jié)合不斷改進(jìn)和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容使教師教的輕松學(xué)生學(xué)的快樂(lè)，提升了教師教學(xué)業(yè)務(wù)能力和教學(xué)質(zhì)量同時(shí)又培養(yǎng)了學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的能力使學(xué)生的創(chuàng)造潛能得以開(kāi)發(fā)，大大提高了學(xué)習(xí)效率。在整個(gè)教學(xué)實(shí)施過(guò)程充分體現(xiàn)以學(xué)生為主體的教學(xué)原則，教師努力引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)效性。教師還向?qū)W生推薦一些其它的仿真技術(shù)優(yōu)秀軟件如Proteus等，鼓勵(lì)學(xué)生積極地將仿真設(shè)計(jì)與實(shí)踐相結(jié)合運(yùn)用到其他的電子類課程學(xué)習(xí)中。依據(jù)高職院校人才培養(yǎng)目標(biāo)我們將不斷探索新的科學(xué)、高效的教學(xué)方法為社會(huì)培養(yǎng)滿足需要的高質(zhì)量技能型、應(yīng)用型人才。

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