虚拟仿真软件在硬件类课程教育中的应用实践研究

陈静 于雅楠

[摘 要] 针对硬件类课程教学的特点及课堂教学中存在的主要问题，研究了两类虚拟仿真软件Multisim11.0和Proteus在不同工科硬件类课程中的实践方式，阐述了虚拟仿真软件在课堂教学的辅助作用。虚拟仿真可以辅助实践教学，使课堂教学过程接近真实，仿真实例及演示操作使学生在课堂中更容易接受和理解所学知识，而且脱离硬件实验室，学生可以自己通过仿真模拟去体会课堂上所讲的原理知识，在实践操作时可以做到心中有数，达到较好的学习效果。虚拟仿真软件的出现，提高了学生对硬件类专业课程的理解和学习兴趣，能有效改善实践教学效果。

[关 键 词] 虚拟仿真软件；计算机辅助教学；模拟实验

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）03-0096-02

一、引言

电子信息类专业属于传统工科类专业，包含多个专业方向，如计算机、自动化、电子工程等，该类专业课程最大的特点就是课程应用性和操作性较强，知识较为抽象，在教学过程中存在教师教着费力，学生听起来也比较枯燥难懂的问题，而且纯理论的课堂讲授显然不利于知识的掌握。

我们所在院校比较重视实践教学，每门课程都安排了相应的实验学时，但实验时间占总学时的比例仍然不高，如表1所示。在培养方案修订过程中为了鼓励学生有足够的课余时间进行各类创新能力的培养，适当减少了理论课程的总学时，但是实验学时并没有减少。

实验学时在课程中的比重逐渐提高，体现了学校“动手动脑、全面发展”的教学理念以及学校对实践教学工作的重视。由此可见，实践教学的好坏影响整个教学效果，特别是对工科硬件类课程的教学更为重要。实验室的实践教学时间有限，需要我们不断进行实践教学方法的创新，更好地服务于教学，虚拟仿真平台[1，2，3]的出现，使我们有效解决了这一问题。虚拟仿真平台可以使教师和学生在脱离实验室环境下有效地学习使用理论课程中所学的各类硬件的器件，如Multisim和Proteus软件。

二、虚拟仿真平台及应用案例

（一）Multisim软件

1.软件介绍

Multism[4]是美国NI公司推出的一款功能强大的EDA软件，提供了非常强大的虚拟仿真功能。如果在数字电子技术和数字逻辑等硬件类课程中引入Multism的虚拟仿真平台，能够为学生展示更加直观的逻辑分析功能，便于学生加深对复杂电路的学习与理解，在一定程度上有利于提高课堂教学质量，而且可以培养学生的创新实践能力。

2.实例分析

在数字电子技术中有一部分重要内容就是组合逻辑电路的设计，在讲解这部分内容时，如果仅仅是课堂的理论讲解，大家不能体会具体电路是什么形态，只有进入实验室才能学习真正的设计，用实际的电路去验证所设计电路的正确性。为了在课堂上能够验证所设计电路的正确性，在教学中引入了Multism虚拟仿真平台，通过该平台搭建实际的电路，如圖1所示为三评委表决器的组合逻辑电路的仿真图，通过开关模拟三个评委的表决情况，用输出的指示灯来观测不同表决情况下的表决结果，验证所设计电路的正确性。

（二）Proteus软件

1.软件介绍

Multism在电路设计与仿真中较为适用，而Proteus软件[5]将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件进行了综合，不仅可以对电路进行仿真和模拟，对单片机类的处理器芯片也能够很好地进行仿真，其处理器模型支持8051、HC11、AVR、ARM、8086和MSP430等，Proteus能建立完整的电子设计开发环境，可与Kei软件进行联合仿真调试，在单片机系统的开发和学习中发挥了重要作用，在课堂教学中可以将该软件用于单片机系统的仿真，给学生提供更为直观的学习体验。

2.实例分析

单片机原理与应用课程中51单片机常用接口是理论向应用过渡的一部分重点内容，其中的键盘和显示部分是单片机应用系统输入和输出的两个重要组成部分，为了使学生直观地理解该部分内容的知识，在Proteus7中利用按键BUTTON组件、AT89C51组件和2位的7段数码管组件进行仿真系统的搭建，实现按键次数的统计，C51的程序在Keil软件中进行编译调试，生成LED2.hex的二进制代码，通过在仿真模型中添加编译好的hex文件实现程序的下载，如图（2b）所示。通过该仿真模型，学生可学习的知识点包括：数码管的显示（静态显示和动态显示）、通用I/O接口的使用、按键的去抖动处理过程、外部中断的处理等。

（a）仿真模拟电路 （b）程序的加载

（三）Multisim和Proteus软件对比分析

Multisim和Proteus都可以对一些电路进行模拟，但是两款软件都有自己的适应领域，对比如表2所示。

三、总结

本文针对硬件类课程教学过程中存在的问题，引入虚拟仿真平台，对Multisim和Proteus软件在两门主要课程数字电子技术和单片机原理与应用中的应用进行了实践探索，分析了两款软件的特点，并对其适用课程进行了分析，通过在课程教学中的实践研究发现，采用虚拟仿真实验平台能够弥补实验学时不够课堂讲授的不足，达到了较好的教学效果，值得在该类课程中进行应用。

参考文献：

[1]翟宏宇，赵建平，底晓强，等.基于虚拟仿真平台的计算机网络课程实践教学[J].计算机教育，2015（17）：6-9.

[2]杜月林，黄刚，王峰，等.建设虚拟仿真实验平台探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理，2015（12）：26-29.

[3]孙界平，琚生根，陈黎，等.计算机网络虚拟仿真实验平台的建设实践[J].实验技术与管理，2017，34（8）.

[4]隋涛，李欢欢，钱博，等.Multisim12在时序逻辑电路教学中的应用[J].自动化与仪器仪表，2015（2）：218-219.

[5]王瑾，袁战军.虚拟仿真技术在单片机课程教学中的应用[J].电子设计工程，2016（1）：45-47.