基于虛擬仿真的數(shù)字電路實驗教學(xué)改革實踐

劉友江

遵義醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 貴州遵義 563003

基于虛擬仿真的數(shù)字電路實驗教學(xué)改革實踐

劉友江

遵義醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 貴州遵義 563003

闡述了采用網(wǎng)絡(luò)化開放式虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字電路課程實驗教學(xué)的實踐過程。首先指出了該課程傳統(tǒng)實驗方式的種種弊端，然后指明采用虛擬仿真實驗所具有的優(yōu)勢，最后介紹了虛擬仿真實驗室的設(shè)計思路與總體構(gòu)架。實踐證明，采用該實驗教學(xué)方式極大地提高了課程實驗效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

虛擬仿真；數(shù)字電路；實驗教學(xué)改革

數(shù)字電路是理工科電子電氣、信息與計算機、通信、自動控制等專業(yè)必修的技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程不僅具有自身的理論體系且是一門實踐性很強的課程。該課程的主要任務(wù)是解決數(shù)字電子電路技術(shù)入門的問題，使學(xué)生掌握數(shù)字電子電路的基本工作原理、分析方法和基本技能，為深入學(xué)習(xí)后續(xù)課程和從事有關(guān)電子技術(shù)方面的實際工作打下基礎(chǔ)。

數(shù)字電路課程是我校信息與計算科學(xué)、醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的一門必修核心課。經(jīng)過多年的理論與實驗教學(xué)，我們感覺在該課程的實驗教學(xué)方面必須進行教學(xué)改革和探索，因為隨著時代的發(fā)展、科技的進步和學(xué)生招生人數(shù)的增加，傳統(tǒng)的數(shù)字電路課程實驗方式已經(jīng)不能滿足教學(xué)需求。以下對我校數(shù)字電路課程實驗方式改革進行總結(jié)和梳理。

1 數(shù)字電路課程傳統(tǒng)實驗方式的弊端

數(shù)字電路課程不僅理論內(nèi)容豐富，而且更重要的是實踐性強。學(xué)生在學(xué)完相關(guān)理論內(nèi)容后，如果有一個很好的實驗平臺能夠?qū)λ鶎W(xué)理論內(nèi)容進行及時驗證，教學(xué)效果會非常理想。對那些學(xué)有余力而且對數(shù)字電路有興趣的學(xué)生讓他們在平臺上進行自主的后期設(shè)計、開發(fā)，發(fā)揮自己的聰明才智，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、提高學(xué)生的動手實踐能力非常有幫助的。然而，非常遺憾的是，傳統(tǒng)的實驗方式幾乎不能滿足這些要求。傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗方式主要有以下弊端。

(1)實驗室建設(shè)前期投入大，后期維護費用高、損耗大，實驗教學(xué)資源難以做到全方位對學(xué)生開放。圖1為我校實驗室數(shù)字電路課程實驗室。

圖1 實驗室實況

(2)實驗過程受時間、地點、人力、實驗空間等各種因素的限制(如圖2所示)，教師指導(dǎo)難以到位，有限的教師很難在有限的時間內(nèi)細致地指導(dǎo)大批的學(xué)生，不僅教學(xué)目標難以達到，而且設(shè)計性和探究性實驗更難以開展。有限的實驗課時無法充分實驗，導(dǎo)致實驗效果差，實驗操作訓(xùn)練不足，創(chuàng)新能力難以提升。如果我系以后再增加招生專業(yè)，該課程的實驗在現(xiàn)有條件下將難以滿足要求。

圖2 學(xué)生實驗中損壞的芯片

(3)理論教學(xué)與實驗教學(xué)分離。

(4)評價與考核實驗效果的手段單一。

(5)實驗設(shè)備故障頻發(fā)，嚴重時影響正常教學(xué)。實驗失敗時難以檢查原因，打擊學(xué)生實驗積極性，增加實驗指導(dǎo)教師的工作量。

(6)實驗室設(shè)備升級不方便。老舊設(shè)備只能報廢，升級購置新設(shè)備，增加學(xué)校經(jīng)濟負擔。

2 仿真虛擬實驗室的優(yōu)勢

由于傳統(tǒng)采用硬件實體進行數(shù)字電路課程實驗存在諸多的缺點，我們可以充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建一個全新的實驗空間。這種仿真型虛擬開放實驗室是一種運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬真實實驗的計算機教學(xué)軟件。它采用多媒體技術(shù)在計算機上建立虛擬實驗室環(huán)境，提供可操作的虛擬實驗儀器，使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上通過接近真實的人機交互界面完成實驗，同時還提供網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的一體化管理功能。與傳統(tǒng)實驗方式比較，這種新型的實驗方式具有以下優(yōu)勢。

(1)彌補了實驗經(jīng)費不足造成的遺憾。

(2)網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)使實驗不受時間與地域的限制。

液體飼料的研制和應(yīng)用在我國剛剛起步。隨著發(fā)酵乙醇工業(yè)的發(fā)展，粉漿類副產(chǎn)品將大量增加。隨著谷物價格上漲，副產(chǎn)品利用的經(jīng)濟效益增加。隨著環(huán)保壓力、減抗替抗壓力的增加，液體飼料的應(yīng)用將大幅度增加。在液體飼喂系統(tǒng)中，原料的質(zhì)量、粉碎粒度，水料比須根據(jù)飼喂對象進行適當調(diào)整。當前對液體飼喂的研究主要停留在生產(chǎn)性能方面，液體飼料原料數(shù)據(jù)庫、營養(yǎng)標準、品質(zhì)控制等研究等還需要系統(tǒng)性深入。

(3)為學(xué)生營造一個自主的實驗環(huán)境。作為一種開放式的網(wǎng)絡(luò)實驗室，可讓學(xué)生根據(jù)自身興趣，搭建自己的實驗環(huán)境和模式，為加強學(xué)生自主式學(xué)習(xí)、提高學(xué)生的動手能力提供了良好的平臺。

(4)具有良好的互動性。網(wǎng)絡(luò)化實驗室可以讓學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師方便地進行遠程互動實驗、交流實驗心得，教師也可以方便地對學(xué)生進行實驗指導(dǎo)、監(jiān)督和考核。

(5)便于維護和實驗教學(xué)管理。

(6)保證實驗的先進性與前瞻性。對應(yīng)軟件升級即可實現(xiàn)新的實驗方法。

(7)有利于學(xué)生開展探索性、研究性實驗。

3 實驗室設(shè)計與總體架構(gòu)

實驗室由五大部分組成：客戶端實驗平臺、實驗室教學(xué)管理系統(tǒng)、服務(wù)器應(yīng)用軟件、中央數(shù)據(jù)庫和BBS論壇。

3.1 客戶端實驗平臺

(1)虛擬實驗平臺是學(xué)生進行實驗操作的平臺，它是在微機上實現(xiàn)的與硬件實體實驗設(shè)備相同功能及操作方式的仿真系統(tǒng)。它將實驗對象按知識體系切割為一個個獨立的模塊，學(xué)生可以按照自己的意愿將各個模塊以不同的方式進行組合，以完成既定實驗或搭建出不同的功能系統(tǒng)。

(2)創(chuàng)新實踐子系統(tǒng)內(nèi)置完整的二次開發(fā)及創(chuàng)新設(shè)計模塊，主要是MatLab仿真調(diào)用接口，方便學(xué)有余力的學(xué)生進行擴展和創(chuàng)新。

(3)即時通信子系統(tǒng)主要是為了讓學(xué)生擁有不受時間、地點限制的實驗環(huán)境，使實驗室真正的完全開放，讓該系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化功能。這樣不僅讓學(xué)生可以上傳提交實驗報告，還可以方便教師查看完整的實驗環(huán)境和結(jié)果，甚至還可以讓多個學(xué)生聯(lián)機共同搭建有信號收發(fā)的系統(tǒng)進行實驗。

圖3 虛擬實驗平臺界面

3.2 實驗室教學(xué)管理系統(tǒng)

實驗室教學(xué)管理系統(tǒng)安裝并運行在服務(wù)器端，是對實驗室進行教學(xué)管理的平臺(如圖4所示)。在這個平臺上，教師可以上傳實驗大綱及相關(guān)資料，也可以在線對學(xué)生提交的實驗數(shù)據(jù)及報告進行批閱并評分；學(xué)生可以對實驗進行預(yù)習(xí)并提交預(yù)習(xí)報告、在線上傳實驗報告、查詢成績；管理員可以完成錄入教師及學(xué)生信息、匯總報表、權(quán)限設(shè)置管理等。

圖4 實驗室教學(xué)管理功能示意圖

3.3 服務(wù)器應(yīng)用軟件

主要完成授權(quán)認證、遠程協(xié)助及對客戶端的支持等功能。

3.4 中央數(shù)據(jù)庫

主要是負責與實驗相關(guān)數(shù)據(jù)的管理。3.5 BBS論壇

提供用戶間的信息交流平臺。

4 結(jié)束語

我校的數(shù)字電路課程實驗自采用虛擬仿真開放式實驗系統(tǒng)以來，不論是該課程的實驗教師還是學(xué)生，對這種實驗教學(xué)改革的好處都有切身體會。傳統(tǒng)實驗方式所存在的弊端在新型實驗中都得到了很好的解決。

在實驗教學(xué)方面，有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以做實驗，且支持學(xué)生網(wǎng)上預(yù)習(xí)，對實驗設(shè)備、測試儀器的操作能提前熟悉，大大增強實驗效果。此外，教師的實驗教學(xué)指導(dǎo)負擔大大減輕。

在理論教學(xué)方面，可在課堂上進行實驗教學(xué)，使理論教學(xué)與實驗教學(xué)融為一體。

在創(chuàng)新設(shè)計方面，該實驗系統(tǒng)提供了一個可供使用者自由發(fā)揮的空間，使之能夠根據(jù)各自的創(chuàng)意設(shè)計并驗證各種充分體現(xiàn)個性的實驗方案，大大提升學(xué)生的創(chuàng)新興趣和動手能力。

在實驗室的未來發(fā)展、升級方面，由于該平臺支持二次開發(fā)，因此，教師完全可以開發(fā)自己想要的模塊，也可以將自己開發(fā)的功能以第三方插件的形式進入該平臺，從而提升系統(tǒng)功能升級。

[1] 鄭利麗.計算機專業(yè)《數(shù)字電路》課程教學(xué)改革探討[J].江蘇教育學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,26(3):89-91.

[2] 徐惠民,延明.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[3] 顧兵,彭文藝,歐陽星明.計算機專業(yè)硬件課程實踐教學(xué)改革思考[J].計算機教育,2012(12):19-21.

[4] 彭波,詹慧琴.擬實驗教學(xué)系統(tǒng)在中等職業(yè)醫(yī)學(xué)教育的應(yīng)用[J].中國醫(yī)藥指南,2011(34):480-481.

Liu Youjiang
Zunyi Medical College, Zunyi, 563003, China

This article expound the experimental teaching reform of the Digital Circuit course. This article firstly analyzed the existing problems in the experimental teaching of the course, in which the traditional experimental methods was used; secondly, demonstrated the advantagesof adopting visual simulation， fnally， introduced the design ideas and the overall framework of the visual experimental system. The practical results show that the experimental teaching reform can greatly improve the experimental effects of the course and the education quality to the students.

visual simulation; digital circuit; experimental teaching reform

Experimental Teaching Reform of Digital Circuit Based on Visual Simulation

2014-10-14

劉友江，講師，碩士。