虚拟仿真技术在数电教学中的应用

马腾达

[摘 要] 对传统数电教学的基本特点进行分析，基于虚拟仿真技术，使用EDA工具软件Proteus，开发了一套用于功能演示的数字化教学资源，并基于虚拟仿真技术对课程内容进行综合化应用的教学活动探索。这些教学实践取得了良好的效果，为培养学生解决复杂工程问题的能力打下了基础，符合教育部提出的“金课”课程改革方向。

[关键词] 数字电子技术;虚拟仿真;综合应用;Proteus

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）41-0245-03    [收稿日期] 2019-11-06

数字电子技术是电类相关专业的一门基础课程[1]，主要任务是使学生掌握数字电子技术的基本概念和基本理论，掌握常用的组合逻辑电路、时序逻辑电路的基本逻辑功能及使用方法，为数字电路的分析和设计提供必要的基础理论知识，培养学生逻辑推理能力、综合分析能力和理论联系实际能力，以及正确运用所学知识进行简单数字系统的分析和设计。

数字电子技术在专业中的地位十分重要，它不仅为后续的专业课学习打好理论基础，也为学生毕业后从事相关工作提供基础知识。通过该课程的学习，可以培养学生的分析问题、解决问题的能力以及工程应用的能力，为培养学生解决复杂工程问题的能力打下基础。

一、传统数电教学中的基本特点分析

在传统的课堂教学中，主要以板书、PPT讲解为主，穿插动画或视频资源。对于数电课程而言，其具有较强抽象性，单纯凭借板书或PPT学生较难深入理解。而动画或视频只能演示某一固定的内容，例如对于译码器，如果随机给出任意输入，演示其对应的输出，依靠视频或动画这种固定性的资源，就显得有些无能为力了。

在传统的课堂教学中，以讲授大纲和教材中要求的知识内容为主，而将多个知识内容综合到一起进行分析和设计的内容较少。例如，在讲解常用组合逻辑电路时，一般是单独讲解如编码器的原理及应用、译码器的原理及应用等，而在讲解常用时序逻辑电路时，一般是单独讲解寄存器的原理及应用、计数器的原理及应用等，而较少将这些电路如译码器、寄存器、计数器等组合到一起进行分析和讲解。

基于以上两个特点，导致的结果就学生的综合应用能力较弱，解决复杂工程问题的能力基础薄弱。典型的情况就是单独考查某一电路如译码器，大部分学生都能正确回答，当面对需要涉及两种及以上电路才能解决的问题时，大部分学生难以正确回答。

为了解决这些问题，结合教学实践和科研经历，并结合教育部对本科教学的新要求，为培养学生解决复杂工程问题的能力打下坚实基础，将虚拟仿真技术引入了教学实践当中，取得了良好的效果。

二、基于虚拟仿真技术的数字化教学资源建设

数字电子技术是抽象程度较高的课程，仅凭公式推导和课堂讲解，较难取得良好的教学效果。基于虚拟仿真技术，使用EDA（Electronic Design Automatic，电子设计自动化技术）工具软件Proteus，开发了一套用于功能演示的数字化教学资源。

将现代信息技术与教育教学深度结合，基于虚拟仿真技术，将课程中的电路进行仿真和演示，以可视化的信息作用于学生，将数字电子技术的一些基本概念和逻辑器件的功能进行直观演示，使学生能够快速和深入地理解相关理论知识。将Proteus仿真软件与传统的理论教学方式相结合有助于提高学生数电知识的学习能力和应用能力[2]，同时，还能够将EDA技术融入数字电子技术课程的整个教学环节[3-5]。

如图1所示，基于虚拟仿真技术，通过如开关、发光二极管、数码管、逻辑标签等直观的方式，将输入和输出的高低电平的变化可视化展现出来，既能实现数字电路的功能演示，又能实现数字电路工作过程的演示，适合于课堂教学演示。

开发的数字化教学资源中，包括了教材中的经典例题以及常用组合逻辑电路和时序逻辑电路等，详细内容表1所示。

这种基于虚拟仿真技术的数字化教学资源应用于教学中，符合教育部“金课”的“创新性”要求，即前沿性和时代性，其教学形式体现先进性和互动性，学习结果具有探究性和个性化[6]。课堂教学实践也表明，学生对知识内容的掌握更加深入，为培养学生解决复杂工程问题的能力打下了坚实基础。

三、基于虚拟仿真技术的课程知识综合化应用

将课程各章节内容有机结合到一起，让学生设计或分析需要多个功能电路、多个芯片器件复合到一起的电路，结合虚拟仿真技术，便于在课堂上开展课程知识内容的综合化应用教学活动。

以组合逻辑电路中的七段数码显示译码芯片和时序逻辑电路中的串行移位寄存器芯片结合到一起为例，阐述如何将课程知识内容进行综合应用。

在讲解译码器的内容时，为学生讲解七段数码显示译码芯片功能时，对该芯片的输入、输出、功能做了全面介绍;在讲解寄存器时，为学生讲解串行移位寄存器时，对该芯片的输入、输出、功能做了全面介绍。对学生提出思考题：某一系统中，单片机仅有2个空余引脚用于显示系统，控制2个七段共阴极数码管显示数字，如何综合运用所学知识实现该功能？

大部分学生能够想到需要使用2个七段数码显示译码芯片控制数码管，但这样至少需要提供8个引脚进行控制，而系统中只有2个空余引脚可供使用。引导学生思考，使用串行移位寄存器，来将串行数据变为并行數据，解决该问题。采用虚拟仿真技术，在Proteus软件中，将所需要使用的芯片布局出来。如图2所示，图中芯片为课堂中单独讲解过的74系列芯片74x194，四位双向移位寄存器，七段数码显示译码芯片CD4511，以及七段共阴极数码管。

进而让学生运用所学知识，将两个4位的串行移位寄存器连接成一个8位的串行移位寄存器，并对各个控制引脚施以正确的控制电平。设计完成的电路如图3所示。

继续引导学生思考，如果希望数码管显示27，如图4所示，那么，该控制单片机的2个引脚应该输出什么样的电平？或者给出单片机的引脚电平变化，让学生判断最终数码管会如何显示。

以上以一个简单的显示系统设计为例，说明了如何引导学生对知识进行综合运用，培养学生解决综合问题的能力。本例对于具有电路设计经验或参加了一些实践类竞赛的学生而言并不困难，也不能称之为复杂工程问题，但对于刚刚学完移位寄存器的同学而言，却可以称之为复杂工程问题，从这些简单的综合性应用中，不断为培养学生解决真正的、跨学科的、跨专业的复杂工程问题的能力打下知识基础和能力基础。

对多个功能电路、多个芯片器件复合到一起的具有一定复杂性的电路进行分析和设计的能力，培养学生将课程知识内容的综合化应用能力，符合“金课”中“高阶性”的要求，即知识能力素质有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维[6]。在后续课程中，学生将所学知识应用到实际电路中时，使得课程不再停留在课本，而是深入到了实践，课程具有一定的“挑战度”，符合“金课”的要求，即课程有一定难度，需要跳一跳才能够得着，对老师备课和学生课下学习有较高要求[6]。

四、结语

基于虚拟仿真技术的数字化教学资源，在教学实践中取得了良好效果，能够直观演示电路功能，学生对知识的理解更为深入。结合虚拟仿真技术，将课程知识内容进行综合化应用的教学活动探索，使学生不仅掌握了一个个知识点，而且能够综合运用所学知识解决实际问题，极大地激发了学生的学习兴趣，提高了学生的学习能力。将虚拟仿真技术引入到数电课堂中，能够为培养学生解决复杂工程问题的能力打下基础，符合教育部提出的“金课”课程改革方向。

参考文献

[1]康华光.电子技术基础数字部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]劉琨.基于雨课堂的数字电子技术精品共享课程建设探索[J].智库时代，2018（51）：226-227.

[3]冯瑞珏.Proteus仿真在“电路”课程教学中的应用[J].中国电力教育，2014（12）：55-56.

[4]张霁晨.探究数字电子技术实验中的EDA技术[J].电子制作，2018（20）：57-58+66.

[5]张文娟.Simulink仿真在“数字电子技术”中的应用[J].内江科技，2018，39（09）：49+51.

[6]吴岩.建设中国“金课”[C].第11届中国大学教学论坛，2018，11.