在線教學(xué)模式下數(shù)字電子技術(shù)仿真實驗案例設(shè)計

鄧濤　朱明強

[摘 要] 面對在線教學(xué)模式下學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識面臨的許多挑戰(zhàn)，教學(xué)中引入以Multisim為代表的EDA實驗教學(xué)軟件，圍繞以設(shè)計各類型數(shù)字電路為核心內(nèi)容，進(jìn)行模塊化實驗單元教學(xué)和多樣化考核驗收形式，改變了以往網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中對于數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識的單一講授模式，在完成理論知識教學(xué)的同時可以較好的實時展現(xiàn)實驗效果。通過學(xué)生在線操作和實時答辯，較好解決了線上實驗教學(xué)成效難以準(zhǔn)確評估的問題。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)字電子技術(shù);網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué);虛擬仿真;Multisim軟件

[作者簡介] 朱明強（1984—），男，云南大理人，工學(xué)博士，北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院工程師（通信作者），主要從事現(xiàn)代電子技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究。

[中圖分類號] G642? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）06-0169-04? ?[收稿日期] 2020-10-25

一、引言

數(shù)字電子技術(shù)是一門兼具理論性、工程性和實踐性的專業(yè)基礎(chǔ)課，而與之配套的數(shù)字電子技術(shù)實驗課程，在電子信息類“新工科”建設(shè)過程中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。目前在全國范圍內(nèi)數(shù)字電子技術(shù)理論課程在線教學(xué)已經(jīng)如火如荼的展開，對應(yīng)的實驗課程更加注重培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和工程素質(zhì)，當(dāng)務(wù)之急是如何有效的開展線上實驗教學(xué)新模式。如果以此為行動契機，綜合運用各種信息化手段開展實驗教學(xué)探索，則對弱電類專業(yè)網(wǎng)絡(luò)化課程建設(shè)是巨大的促進(jìn)。線下實驗室現(xiàn)場教學(xué)是目前主要開展方式，也是各高校資金和人力投入較大的學(xué)科建設(shè)領(lǐng)域。但近年來實踐表明，實驗室開展電子電路類實驗常常受到空間、時間和器件材料有限等問題限制[2，3]。尤其當(dāng)線下實驗教學(xué)無法正常開展時，將會大大限制學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)學(xué)科知識的積極性和有效性，進(jìn)而無法有效完成新時期高校規(guī)定的電子信息類專業(yè)培養(yǎng)要求[4，5]。

作為本科一線教師，筆者研究和設(shè)計了多個基于使用虛擬仿真軟件系統(tǒng)（Multisim）在線實驗案例，探討了一種便捷可行的網(wǎng)絡(luò)化實驗教學(xué)模式，通過在2020年春季學(xué)期大規(guī)模線上教學(xué)中使用，實踐了基礎(chǔ)理論教學(xué)與相關(guān)實驗教學(xué)的線上有機結(jié)合，在提升數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識在線學(xué)習(xí)效果的多維化教學(xué)方法摸索中，獲得了不少有益的經(jīng)驗。

二、目前在線實驗教學(xué)存在的問題

數(shù)字電子技術(shù)實驗是電子信息類本科生專業(yè)培養(yǎng)中極其重要的專業(yè)基礎(chǔ)實踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)，具有極強的工程性和實踐性特點，也是長期以來電子信息類專業(yè)師生難教和難學(xué)的課程。該門課程在線教學(xué)實踐中，由于傳統(tǒng)上對實驗設(shè)備和場地的依賴，實驗教學(xué)往往比理論教學(xué)存在更多的困難和更大的挑戰(zhàn)。從提升數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)效果的角度考慮問題，應(yīng)從兩方面出發(fā)：一是培養(yǎng)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)興趣，二是結(jié)合目前可行的工程實際。在條件允許情況下讓學(xué)生“盡早扎實基礎(chǔ)知識，盡早接觸仿真技術(shù)，盡早開展研究探索”。

目前網(wǎng)絡(luò)上較為流行的在線數(shù)字實驗教學(xué)課程中多以FPGA或單片機應(yīng)用開發(fā)為核心講授內(nèi)容，在線仿真軟件的教學(xué)也多面向特定開發(fā)板或?qū)嶒灠?。對以基礎(chǔ)門電路和中小規(guī)模電路為主的基礎(chǔ)知識往往忽視，對應(yīng)在線教學(xué)方式也相對簡單，多以視頻和動畫講解驗證性實驗理論為主，缺乏使用現(xiàn)代軟件技術(shù)的仿真設(shè)計分析。如何在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)條件下，盡可能讓學(xué)生明確掌握現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用的同時，又能夠掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識，這是在線教學(xué)亟待解決的問題。畢竟，再復(fù)雜再精密的電路涉及底層還是要用門電路來實現(xiàn)。對數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識如果掌握不扎實，將來就難以設(shè)計出性能優(yōu)異且可靠性強的數(shù)字電路。

此外，以往傳統(tǒng)的實驗考核評價方式通常以結(jié)果為主要導(dǎo)向，強調(diào)的是任課教師將理論知識和實踐技能直接傳遞給學(xué)生，或是讓學(xué)生簡單機械的根據(jù)教師安排和講解，去模仿操作得到的實驗結(jié)果。這樣一來就非常容易在實驗教學(xué)實踐中出現(xiàn)兩個大的問題：一是學(xué)生在課內(nèi)學(xué)習(xí)過程中缺乏主動性，對實驗本身理解較淺，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率不高;二是完成實驗過程后，學(xué)生實踐能力沒有得到本質(zhì)上的提高，提高的往往只是單純的模仿能力。教師在課內(nèi)教學(xué)中將完成主要的工作后，學(xué)生只是依葫蘆畫瓢，沒有對所學(xué)知識進(jìn)行重新的理解、組合、融會貫通，無法舉一反三，更談不上將所學(xué)知識上升為分析和解決問題的實際能力。

三、線上教學(xué)案例設(shè)計與實施

Multisim軟件是由美國國家儀器（NI）有限公司基于流行的Windows平臺推出的電子電路仿真工具，廣泛適用于包含模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路等多種現(xiàn)代電子電路的線路設(shè)計、仿真測試及特性分析。它的主操作窗口與實際的電子實驗臺非常類似，在其電路工作區(qū)中，可以用鼠標(biāo)直接調(diào)取和使用放置于元器件欄中的各種電子元器件以及儀器儀表欄中的各類測試工具，并根據(jù)需要將它們連接成所需的實驗電路。通過軟件界面當(dāng)中的“啟動/停止”按鈕，來自行控制實驗的進(jìn)程。在多數(shù)實驗中，可直接利用Multisim軟件對實際電路進(jìn)行虛擬仿真，在排除干擾的情況下獲得與實體實驗相匹配的準(zhǔn)確結(jié)果，而且由于涉及所有電路搭接操作都是在軟件屏幕主要窗口中直接完成，整個流程直觀明了，非常便于教師和學(xué)生學(xué)習(xí)使用。

引入Multisim仿真軟件進(jìn)行數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)，將改變了以往以傳授驗證性實驗知識為主的教學(xué)模式，打破了傳統(tǒng)上以教科書內(nèi)容視頻和PPT課件講解為主要方式的基礎(chǔ)知識在線授課模式。通過引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用流行的EDA教學(xué)軟件，將實驗內(nèi)容承載到單個的小型項目上，可以在網(wǎng)上進(jìn)行具有初步探索性質(zhì)的項目式實驗教學(xué)。在具體課程的設(shè)計上，既重視學(xué)生對相關(guān)基礎(chǔ)理論的逐步認(rèn)知過程，又強調(diào)對所學(xué)知識的靈活應(yīng)用技巧。在教學(xué)過程中，利用軟件將自主設(shè)計實驗方案、電路連接調(diào)試和計算機仿真測試等綜合實驗素養(yǎng)的培養(yǎng)完整貫穿于整個實驗教學(xué)之中。尤其對于復(fù)雜知識點講解時，如果對EDA技術(shù)進(jìn)行有效利用，可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)和教師講解的效率。通過研究軟件系統(tǒng)中包含的仿真模塊，可以獲得很多相關(guān)課程內(nèi)容學(xué)習(xí)信息，從而充分的發(fā)揮 EDA技術(shù)的仿真實驗教學(xué)功能。

數(shù)字電路作為數(shù)字電子設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域的公共基礎(chǔ)課，雖然在現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計中相對較少直接運用到中小規(guī)模門電路，但所涉及電路多么復(fù)雜精密，歸根到底仍然是以大量邏輯門來實現(xiàn)的。因此，相關(guān)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)仍然十分重要，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)特點，可以一種新的思路和方法來向?qū)W生進(jìn)行講授。在本次網(wǎng)絡(luò)在線實驗教學(xué)期間，課程組首次采用“騰訊課堂在線直播+微信群實時互動 +學(xué)校課程平臺輔導(dǎo)”的在線教學(xué)形式開展了線上教學(xué)，基于Multisim軟件的EDA仿真技術(shù)教學(xué)同時被大量應(yīng)用到數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗教學(xué)中。其中，線上直播課以“共享屏幕+網(wǎng)絡(luò)課堂語音講解”的模式展開。根據(jù)在線實驗教學(xué)設(shè)計，將實驗時間“分散化”，以教師講解實驗注意事項和實驗難點為引導(dǎo)、教師在線操作仿真軟件搭接電路為示范，學(xué)生自行線下完成仿真電路搭建和功能調(diào)試為主要目的，最后師生雙方利用“騰訊會議平臺”在約定時間完成仿真實驗操作在線驗收和線上實時答辯。為此，教研組針對數(shù)字電路基礎(chǔ)知識點范圍和仿真實驗在線可操作性經(jīng)過多次研討，制定了多個教學(xué)實驗項目。以下為本次網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)實踐中，設(shè)計和完成的一個案例：

（一）實驗案例

實驗內(nèi)容：運用Multisim軟件，基于16進(jìn)制計數(shù)器74LS193設(shè)計六進(jìn)制加法計數(shù)器和五進(jìn)制減法計數(shù)器，分別用清零法及預(yù)置法實現(xiàn)，調(diào)用軟件中虛擬儀器觀察輸出信號并分析。

實驗?zāi)康模貉芯繑?shù)字系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生電路和定時電路;熟悉555型集成時基電路的工作原理;掌握用555集成時基電路的基本應(yīng)用;熟悉計數(shù)器的邏輯功能和使用方法;利用給定計數(shù)器實現(xiàn)任意模計數(shù)器;提高綜合設(shè)計能力和自主學(xué)習(xí)能力。

（二）案例分析

上述仿真實驗案例基于課程組依據(jù)自主編寫的實驗指導(dǎo)書設(shè)計，與實體實驗相匹配，其實驗步驟與實體實驗完全一致。針對555集成時基電路本身是一種數(shù)模混合型的中規(guī)模集成電路，在后續(xù)教學(xué)中具有重要的作用。而計數(shù)器是一種廣泛使用的集成電路，它能夠用不同的狀態(tài)來表示輸入脈沖的個數(shù)，在數(shù)字系統(tǒng)的控制、運算以及分頻等方面都離不開計數(shù)器的應(yīng)用。集成計數(shù)器一般都有清零端CLR、數(shù)據(jù)置入端LOAD等功能管腳，當(dāng)所要求的模數(shù)M小于計數(shù)器本身模N時，靈活運用各個功能管腳就能實現(xiàn)設(shè)計要求。因此，實驗案例主要利用555電路組成多諧振蕩器，由已知電路圖進(jìn)行仿真，根據(jù)電路中元件的具體參數(shù)的計算公式，找出實際中符合要求且實際存在的元件進(jìn)行電路設(shè)計，可以觀察到多諧振蕩器的輸出波形，更好的理解上、下觸發(fā)電平的概念。其中，重點考查學(xué)生利用74LS193這一同步二進(jìn)制計數(shù)器實現(xiàn)六進(jìn)制加計數(shù)器和五進(jìn)制減法計數(shù)器，熟悉實現(xiàn)任意進(jìn)制計數(shù)器設(shè)計的兩種常用方法：清零法和預(yù)置法。要求學(xué)生了解555定時電路的多種擴展應(yīng)用，對任意進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計流程進(jìn)一步熟知，同時也對平時學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識內(nèi)容有了更深一步的了解。

（三）案例實施

首先要求學(xué)生學(xué)習(xí)使用仿真軟件Multisim，調(diào)用軟件元件庫中的555定時器芯片搭接多諧振蕩器，且設(shè)定頻率為1KHz，用虛擬示波器觀察和記錄輸出波形的同時，測出其振蕩頻率，隨后要求更改軟件設(shè)置，將振蕩頻率值改為4Hz并重復(fù)上述步驟，以加深學(xué)生對555定時器芯片功能的認(rèn)識。隨后針對基于16進(jìn)制計數(shù)器74LS193設(shè)計六進(jìn)制加計數(shù)器和五進(jìn)制減計數(shù)器的實驗內(nèi)容，要求學(xué)生對可逆計數(shù)器具備加法計數(shù)與減法計數(shù)的工作模式進(jìn)行回顧，更深一步掌握74LS193的工作原理，并且鍛煉學(xué)生將之前設(shè)計555定時器得出的成果重新整理，通過仿真軟件運用到中規(guī)模計數(shù)器設(shè)計中來，鞏固之前所學(xué)相關(guān)理論知識。此外，實驗中首次要求使用虛擬邏輯分析儀，有助于學(xué)生分析時序電路中的各個輸出端邏輯值與時鐘信號的關(guān)系，進(jìn)一步熟悉各類儀器儀表的在未來實際電路開發(fā)中的功能。

最后，為了強化實驗環(huán)節(jié)對于基礎(chǔ)知識的教學(xué)效果，要求學(xué)生撰寫基于仿真實驗全過程的綜合實驗報告，鍛煉科技報告寫作能力，為未來從事科研打下一定基礎(chǔ)?；诰W(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的特點，教研組教師全程以共享屏幕的方式對實驗進(jìn)程進(jìn)行實時指導(dǎo)，增強學(xué)生的參與感與沉浸感，特別增設(shè)了在線實時操作和答辯環(huán)節(jié)，尤其注重師生間的實時交互，全面考查學(xué)生對實驗知識的掌握程度。學(xué)生學(xué)習(xí)成果的評價是非常重要的環(huán)節(jié)，全面公平的考核評價體系有助于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。特別是在線實時情況下，隨機指定相關(guān)內(nèi)容要求進(jìn)行Multisim軟件操作考核，更有助于判別學(xué)生掌握程度，改進(jìn)實驗成績區(qū)分度，督促學(xué)生對仿真實驗任務(wù)的重視和理解。

四、結(jié)語

隨著課程改革的深入，EDA作為數(shù)字電路的教學(xué)和實驗已經(jīng)愈發(fā)重要，它使抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容更加直觀，教學(xué)概念的表達(dá)更加清晰，在提高了教學(xué)效率的同時也符合電子設(shè)計的發(fā)展趨勢。在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)模式下，針對數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識的仿真實驗教學(xué)實踐表明： 根據(jù)實驗教學(xué)內(nèi)容需要，適當(dāng)?shù)脑诰W(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)以及課后延伸學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中引入Multisim的虛擬仿真，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強化學(xué)生對數(shù)字電子電路理論知識的理解，同時也大大鍛煉了學(xué)生運用現(xiàn)代仿真軟件的實踐能力。通過引導(dǎo)學(xué)生運用理論聯(lián)系實際的求知方法，培養(yǎng)了工程意識，為實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式和方法做出了有益的探索。

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Abstract： Learning the basic knowledge of digital electronic technology online is facing more and more challenges. When Multisim is introduced as an EDA simulation software， we take the design of various types of digital circuits as the core content， conduct modular experiment teaching and diversified methods of assessment. It has changed the monotonous teaching model in the past. While the theoretical knowledge is taught， the experiment results can be displayed in real time. Through students' online operation and oral defense， the problem that it is difficult to assess the effectiveness of online experiment teaching accurately is solved.

Key words： digital electronic technology; online teaching; virtual simulation; Multisim software