在线教学模式下数字电子技术仿真实验案例设计

邓涛　朱明强

[摘 要] 面对在线教学模式下学习数字电子技术基础知识面临的许多挑战，教学中引入以Multisim为代表的EDA实验教学软件，围绕以设计各类型数字电路为核心内容，进行模块化实验单元教学和多样化考核验收形式，改变了以往网络教学中对于数字电子技术基础知识的单一讲授模式，在完成理论知识教学的同时可以较好的实时展现实验效果。通过学生在线操作和实时答辩，较好解决了线上实验教学成效难以准确评估的问题。

[关键词] 数字电子技术;网络在线教学;虚拟仿真;Multisim软件

[作者简介] 朱明强（1984—），男，云南大理人，工学博士，北京交通大学电子信息工程学院工程师（通信作者），主要从事现代电子技术、工业互联网研究。

[中图分类号] G642     [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）06-0169-04   [收稿日期] 2020-10-25

一、引言

数字电子技术是一门兼具理论性、工程性和实践性的专业基础课，而与之配套的数字电子技术实验课程，在电子信息类“新工科”建设过程中发挥着越来越重要的作用[1]。目前在全国范围内数字电子技术理论课程在线教学已经如火如荼的展开，对应的实验课程更加注重培养学生实践能力和工程素质，当务之急是如何有效的开展线上实验教学新模式。如果以此为行动契机，综合运用各种信息化手段开展实验教学探索，则对弱电类专业网络化课程建设是巨大的促进。线下实验室现场教学是目前主要开展方式，也是各高校资金和人力投入较大的学科建设领域。但近年来实践表明，实验室开展电子电路类实验常常受到空间、时间和器件材料有限等问题限制[2，3]。尤其当线下实验教学无法正常开展时，将会大大限制学生学习相关学科知识的积极性和有效性，进而无法有效完成新时期高校规定的电子信息类专业培养要求[4，5]。

作为本科一线教师，笔者研究和设计了多个基于使用虚拟仿真软件系统（Multisim）在线实验案例，探讨了一种便捷可行的网络化实验教学模式，通过在2020年春季学期大规模线上教学中使用，实践了基础理论教学与相关实验教学的线上有机结合，在提升数字电子技术基础知识在线学习效果的多维化教学方法摸索中，获得了不少有益的经验。

二、目前在线实验教学存在的问题

数字电子技术实验是电子信息类本科生专业培养中极其重要的专业基础实践培养环节，具有极强的工程性和实践性特点，也是长期以来电子信息类专业师生难教和难学的课程。该门课程在线教学实践中，由于传统上对实验设备和场地的依赖，实验教学往往比理论教学存在更多的困难和更大的挑战。从提升数字电子技术实验教学效果的角度考虑问题，应从两方面出发：一是培养学生内在的学习兴趣，二是结合目前可行的工程实际。在条件允许情况下让学生“尽早扎实基础知识，尽早接触仿真技术，尽早开展研究探索”。

目前网络上较为流行的在线数字实驗教学课程中多以FPGA或单片机应用开发为核心讲授内容，在线仿真软件的教学也多面向特定开发板或实验板。对以基础门电路和中小规模电路为主的基础知识往往忽视，对应在线教学方式也相对简单，多以视频和动画讲解验证性实验理论为主，缺乏使用现代软件技术的仿真设计分析。如何在网络教学条件下，尽可能让学生明确掌握现代电子技术应用的同时，又能够掌握相关基础知识，这是在线教学亟待解决的问题。毕竟，再复杂再精密的电路涉及底层还是要用门电路来实现。对数字电子技术基础知识如果掌握不扎实，将来就难以设计出性能优异且可靠性强的数字电路。

此外，以往传统的实验考核评价方式通常以结果为主要导向，强调的是任课教师将理论知识和实践技能直接传递给学生，或是让学生简单机械的根据教师安排和讲解，去模仿操作得到的实验结果。这样一来就非常容易在实验教学实践中出现两个大的问题：一是学生在课内学习过程中缺乏主动性，对实验本身理解较浅，导致学习效率不高;二是完成实验过程后，学生实践能力没有得到本质上的提高，提高的往往只是单纯的模仿能力。教师在课内教学中将完成主要的工作后，学生只是依葫芦画瓢，没有对所学知识进行重新的理解、组合、融会贯通，无法举一反三，更谈不上将所学知识上升为分析和解决问题的实际能力。

三、线上教学案例设计与实施

Multisim软件是由美国国家仪器（NI）有限公司基于流行的Windows平台推出的电子电路仿真工具，广泛适用于包含模拟电路、数字电路、射频电路等多种现代电子电路的线路设计、仿真测试及特性分析。它的主操作窗口与实际的电子实验台非常类似，在其电路工作区中，可以用鼠标直接调取和使用放置于元器件栏中的各种电子元器件以及仪器仪表栏中的各类测试工具，并根据需要将它们连接成所需的实验电路。通过软件界面当中的“启动/停止”按钮，来自行控制实验的进程。在多数实验中，可直接利用Multisim软件对实际电路进行虚拟仿真，在排除干扰的情况下获得与实体实验相匹配的准确结果，而且由于涉及所有电路搭接操作都是在软件屏幕主要窗口中直接完成，整个流程直观明了，非常便于教师和学生学习使用。

引入Multisim仿真软件进行数字电子技术实验教学，将改变了以往以传授验证性实验知识为主的教学模式，打破了传统上以教科书内容视频和PPT课件讲解为主要方式的基础知识在线授课模式。通过引导学生学习使用流行的EDA教学软件，将实验内容承载到单个的小型项目上，可以在网上进行具有初步探索性质的项目式实验教学。在具体课程的设计上，既重视学生对相关基础理论的逐步认知过程，又强调对所学知识的灵活应用技巧。在教学过程中，利用软件将自主设计实验方案、电路连接调试和计算机仿真测试等综合实验素养的培养完整贯穿于整个实验教学之中。尤其对于复杂知识点讲解时，如果对EDA技术进行有效利用，可以提升学生学习和教师讲解的效率。通过研究软件系统中包含的仿真模块，可以获得很多相关课程内容学习信息，从而充分的发挥 EDA技术的仿真实验教学功能。

数字电路作为数字电子设计技术领域的公共基础课，虽然在现代数字电路设计中相对较少直接运用到中小规模门电路，但所涉及电路多么复杂精密，归根到底仍然是以大量逻辑门来实现的。因此，相关基础知识的学习仍然十分重要，结合网络教学特点，可以一种新的思路和方法来向学生进行讲授。在本次网络在线实验教学期间，课程组首次采用“腾讯课堂在线直播+微信群实时互动 +学校课程平台辅导”的在线教学形式开展了线上教学，基于Multisim软件的EDA仿真技术教学同时被大量应用到数字电子技术基础实验教学中。其中，线上直播课以“共享屏幕+网络课堂语音讲解”的模式展开。根据在线实验教学设计，将实验时间“分散化”，以教师讲解实验注意事项和实验难点为引导、教师在线操作仿真软件搭接电路为示范，学生自行线下完成仿真电路搭建和功能调试为主要目的，最后师生双方利用“腾讯会议平台”在约定时间完成仿真实验操作在线验收和线上实时答辩。为此，教研组针对数字电路基础知识点范围和仿真实验在线可操作性经过多次研讨，制定了多个教学实验项目。以下为本次网络在线教学实践中，设计和完成的一个案例：

（一）实验案例

实验内容：运用Multisim软件，基于16进制计数器74LS193设计六进制加法计数器和五进制减法计数器，分别用清零法及预置法实现，调用软件中虚拟仪器观察输出信号并分析。

实验目的：研究数字系统时钟产生电路和定时电路;熟悉555型集成时基电路的工作原理;掌握用555集成时基电路的基本应用;熟悉计数器的逻辑功能和使用方法;利用给定计数器实现任意模计数器;提高综合设计能力和自主学习能力。

（二）案例分析

上述仿真实验案例基于课程组依据自主编写的实验指导书设计，与实体实验相匹配，其实验步骤与实体实验完全一致。针对555集成时基电路本身是一种数模混合型的中规模集成电路，在后续教学中具有重要的作用。而计数器是一种广泛使用的集成电路，它能够用不同的状态来表示输入脉冲的个数，在数字系统的控制、运算以及分频等方面都离不开计数器的应用。集成计数器一般都有清零端CLR、数据置入端LOAD等功能管脚，当所要求的模数M小于计数器本身模N时，灵活运用各个功能管脚就能实现设计要求。因此，实验案例主要利用555电路组成多谐振荡器，由已知电路图进行仿真，根据电路中元件的具体参数的计算公式，找出实际中符合要求且实际存在的元件进行电路设计，可以观察到多谐振荡器的输出波形，更好的理解上、下触发电平的概念。其中，重点考查学生利用74LS193这一同步二进制计数器实现六进制加计数器和五进制减法计数器，熟悉实现任意进制计数器设计的两种常用方法：清零法和预置法。要求学生了解555定時电路的多种扩展应用，对任意进制计数器的设计流程进一步熟知，同时也对平时学习数字电子技术基础知识内容有了更深一步的了解。

（三）案例实施

首先要求学生学习使用仿真软件Multisim，调用软件元件库中的555定时器芯片搭接多谐振荡器，且设定频率为1KHz，用虚拟示波器观察和记录输出波形的同时，测出其振荡频率，随后要求更改软件设置，将振荡频率值改为4Hz并重复上述步骤，以加深学生对555定时器芯片功能的认识。随后针对基于16进制计数器74LS193设计六进制加计数器和五进制减计数器的实验内容，要求学生对可逆计数器具备加法计数与减法计数的工作模式进行回顾，更深一步掌握74LS193的工作原理，并且锻炼学生将之前设计555定时器得出的成果重新整理，通过仿真软件运用到中规模计数器设计中来，巩固之前所学相关理论知识。此外，实验中首次要求使用虚拟逻辑分析仪，有助于学生分析时序电路中的各个输出端逻辑值与时钟信号的关系，进一步熟悉各类仪器仪表的在未来实际电路开发中的功能。

最后，为了强化实验环节对于基础知识的教学效果，要求学生撰写基于仿真实验全过程的综合实验报告，锻炼科技报告写作能力，为未来从事科研打下一定基础。基于网络学习的特点，教研组教师全程以共享屏幕的方式对实验进程进行实时指导，增强学生的参与感与沉浸感，特别增设了在线实时操作和答辩环节，尤其注重师生间的实时交互，全面考查学生对实验知识的掌握程度。学生学习成果的评价是非常重要的环节，全面公平的考核评价体系有助于调动学生的学习积极性。特别是在线实时情况下，随机指定相关内容要求进行Multisim软件操作考核，更有助于判别学生掌握程度，改进实验成绩区分度，督促学生对仿真实验任务的重视和理解。

四、结语

随着课程改革的深入，EDA作为数字电路的教学和实验已经愈发重要，它使抽象的学习内容更加直观，教学概念的表达更加清晰，在提高了教学效率的同时也符合电子设计的发展趋势。在大规模网络在线教学模式下，针对数字电子技术基础知识的仿真实验教学实践表明： 根据实验教学内容需要，适当的在网络实验教学以及课后延伸学习环节中引入Multisim的虚拟仿真，不仅能够激发学生的学习兴趣，强化学生对数字电子电路理论知识的理解，同时也大大锻炼了学生运用现代仿真软件的实践能力。通过引导学生运用理论联系实际的求知方法，培养了工程意识，为实验网络教学方式和方法做出了有益的探索。

参考文献

[1]黎想，雷霞，李宏.基于云实验室的数字电子技术实验课程教学改革[J].实验室研究与探索，2020，v.39;No.290（04）：214-218.

[2]吴亚琼，韩雪岩，曹晰，等.基于“雨课堂+雷实验”的实验教学改革模式研究——以“电子技术实验课程”为例[J].现代教育技术，2019（6）：109-114.

[3]桑林，付强，张增凤.电工与电子技术实验翻转课堂教学模式的研究[J].高教学刊，2020，No.131（09）：81-83.

[4]贺正芸，杨玲，梁建华，等.模拟电子技术实验教学模式改革与探索[J].教育教学论坛，2020（02）：150-151.

[5]戚茜.应用型人才培养模式下的电子技术实验教学探究——评《电子技术实验与课程设计（第5版）》[J].中国教育学刊，2019（11）.

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