基于线上虚拟仿真的数字电子技术实验教学改革与实践

冼灿娇，郑鑫

（广西民族师范学院，广西 崇左 532200）

1 前言

数字电子技术实验是电子通信类专业的基础实践课，同时也是物理学、机械设计制造及其自动化和物联网等理工科专业的专业基础实践课。该实验课程与理论课程联系非常紧密，具有很强的实践性。该课程的主要内容是使学生验证和运用数字电子技术的理论知识，使学生能够加深对理论知识的理解，学会使用科学理论知识解决实际工程问题的方法和技能，为后续专业课程的学习打下良好的基础。

通常，数字电子技术实验室是在实体教室完成，实体教室除了给学生和教师提供固定的实验场所，还提供了实验仪器和辅助器材，教师通过实物操作的授课方式教予学生进行相关的仪器设备操作和电路搭建及调试。在这种情况下，学生只能进行课堂的实验，走出实验室就无法进行相关的理论验证和设计验证实验，另外，由于每个学生的理解能力存在差异，在实验课堂时间有限的情况下，部分学生无法在课堂上完成实验或者没来得及掌握知识点，如果在课堂外能通过新的“平台”来弥补时间的“不足”，对学生来说就多一种锻炼机会。单纯通过实体教室完成实验课程的方式存在一定的缺陷，容易导致学生对更多理论知识的掌握无法通过实践验证进行加强巩固。随着社会及技术发展，市面上出现了很多虚拟仿真软件，而Multisim 仿真软件具有简洁易懂、操作性好等优点，若将Multisim 引入我们的实验课堂教学中，通过这个软件给学生提供一个自主实验的平台，学生便可随时随地通过实验对所学的理论知识进行验证，无论是理论课程还是实验课程，教学效果都会有很大的提高。通过这样的教学平台，还能提高学生自主学习的能力和自主创新的意识，培养学生使用科学知识解决实际问题的工程意识。

2 Multisim 软件的介绍

Multisim 软件是美国国家仪器有限公司推出的一款电子技术仿真软件，经过多年的发展，目前有很多个更新版本。Multisim 软件在更新升级过程中，始终延续它的直观界面、操作方便和简单易学易用等优点，同时在软件的功能上又有创新性的升级改动。现阶段，Multisim 软件能够灵活有效地满足电子电路的设计和虚拟仿真的需求，让使用者可以更方便地完成实际和仿真数据的比较，节省电路测试的时间。

Multisim 软件提供多种语言界面，面向不同国家的人群。Multisim 软件具有友好的界面，如图1 所示，它的界面中有菜单栏、工具栏、虚拟器件栏、虚拟仪器栏、工作区等等。这款软件有数字电子技术实验常用的基本元器件库、晶体库和数字集成元器件库等相关库，极大地提高了数字电子实验器件型号的可选性。软件仪器栏提供了比实体实验室还要齐全的电子电路测试仪器，足以满足电子电路设计和测试的需求。

图1 Multisim 软件界面

3 线上虚拟仿真的数字电子技术实验教学改革的目的

目前，数字电子技术实验室的试验台比较陈旧，有一部分的电源、器件插孔、示波器、开关和时钟等已损坏或者接触不良，导致学生对课程的学习体验差，学生的学习兴趣严重下滑，同时引起课程教学质量差等问题。即使更换新的设备，由于实验室不是开放性的实验室，只在规定的时间内开放，同样也会限制学生对学习的兴趣。因此，很有必要提供一个线上的虚拟仿真实验平台，让学生可以自由地选择学习时间，提高学生对知识的渴望度。而数字电子电路用Multisim 软件仿真得到的结果与实际电路得到的结果基本一致，测量仪器也比较齐全，可以完成很多目前我们实验室不能完成的一些测试，给学生的自主创新设计提供了很大空间。目前，我们数字电子技术实验室已购置一批全新的计算机和仿真平台，给数字电子技术虚拟仿真提供了一个平台。为培养与社会能快速融合的人才，仅靠线下的实践教学是远远不够的，还需要利用仿真实验机制来提高实验教学质量。

采用线上虚拟仿真的数字电子技术实验教学模式目的有以下几个方面。

（1）解决因实验室设备问题导致的数字电子技术实验课程教学质量差的问题。线上虚拟仿真实验不受实验室的限制，学生有的实验知识在课堂中吸收不了的，课后还可以重复学习，给学生提供了复习的平台。

（2）提升学生对专业学习的兴趣。Multisim 软件中的器件和仪器比较完善，足够学生验证和设计一些常见的电路。由于数字电子技术理论与实验是不同的教师授课，学生就可以根据理论的进度在线上虚拟仿真平台对理论知识进行验证，可以加深学生对知识的理解和应用。

（3）提高数字电子技术实验课堂教学质量。由于实体实验室的设备及仪器老化，课堂教学质量一直得不到提升，虚拟仿真软件可以保证器件和仪器的完好性，学生可以较好地完成课程实验，给与学生一定的成就感，从而提高他们对这门课程的兴趣。

（4）使培养的人才与社会接轨，在教学中及时更新虚拟仿真软件，采用新的授课方式，加入新的实验教学内容，不断提高学生的知识水平。

4 线上虚拟仿真的数字电子技术实验课程的建立

围绕学校人才培养目标，依据专业和课程建设与人才培养目标相结合的原则，构建线上虚拟仿真的数字电子技术实验课程教学。线上虚拟仿真实验课程教学建立主要从课程内容、课程教学方法、课程教学模式和考核评价四个方面进行。如图2 所示。

图2 线上虚拟仿真的数字电子技术实验课程体系

4.1 建立线上虚拟仿真实验课程

数字电子技术实验类型主要分为基础型实验、综合设计型实验和创新型实验三类，如图2 所示。

在本课程中安排2 ～3 次课的基础实验，包括器件功能的验证和简单电路的功能验证。器件功能验证主要是逻辑门的功能验证，在Multisim 软件中可以通过简单电路测试，也可以通过逻辑转换仪和逻辑分析仪来测试。设计电路的功能验证可以通过观察电路中的LED 灯或数码管进行验证，也可以使用Multisim 软件中的示波器、频率计、字发生器等仪器进行测试。

课程中安排3 次的综合设计型实验，主要是通过教师讲解实验中用到的原理知识，要求学生按要求使用Multisim 软件设计出符合条件的电路。

创新型实验是让学生自主确定实现的功能，要求学生使用Multisim 软件进行电路的设计和调试。

课程实验内容的选取一定程度上影响学生对本门课程的学习兴趣，选取生活中常见的产品或新的、热门的产品电路作为课堂实验内容，让学生在日常生活中了解知识的用途，关注知识的应用，很容易就能提高学生的学习热情。课后建立专门的数字电子技术实验讨论群，方便学生与学生、教师与学生之间的互动交流。

4.2 制定线上虚拟仿真实验课程的考评机制

一套完整的课程考评机制对课程教学质量至关重要。完善的考评机制可以激励学生认真学习，提高学生对课程的关注度。目前，线上教学平台有很多学情信息统计，线上虚拟仿真数字电子技术实验课程主要通过以下方面进行考评。

（1）到课率。无论线上还是线下课堂，到课率都是一个最基本的也是非常重要的考评指标，体现了学生对课程的参与度和重视程度，如果一个学生的到课率都不达标，说明该生的实验实践也就没有达标。

（2）课堂实验完成度及结果。通过学生提交课堂实验文件，同时结合实验完成过程以及完成质量来了解学生对每次数字电子技术实验内容的掌握程度。

（3）创新性实验的设计情况。通过创新实验中的原理图设计及测试可以了解学生对理论知识的掌握及运用情况。

（4）实验过程和测试报告：要求学生将实验过程和测试报告编写形成一个文件提交给教师，培养学生撰写测试报告的能力。

课程的成绩由教师通过上述四个方面的情况进行综合评定，应更多地关注学生的学习过程，关注学生的成长过程、自主探究和创新能力。

通过以上各方面综合考察学生对课程的掌握，关注学生的学习过程，不仅可以提高学生的自主学习能力，还能培养学生发现问题、分析问题、解决问题和自主创新的能力，符合现今社会需求工程实践型人才的培养的要求。

4.3 线上虚拟实验课程教学方法

课程教学方法体现着教师的教学水平，本课程采用课前发布实验任务、课堂组织教学、课后收集学生学情后进行教学反思的教学方法。

（1）课前发布任务。让学生提前预习，巩固相关的理论知识。使学生有充分的时间了解实验的原理以及认识电路。

（2）课堂组织教学。用通俗易懂的语言给学生讲解课程内容的重点、难点及易错点等。在课堂教学有序进行的同时增强教师与学生、学生与学生之间的交流互动，让学生在流动的知识中无意识地学到知识。

（3）课后收集学生学情后进行教学反思。收集学生的学习情况有助于教师了解学生对实验的掌握程度，若发现大多数学生对实验不理解、电路设计与测试无法实现等情况，便于教师反思教学方式及时调整教学方法。

4.4 教学模式

在本次数字电子技术实验改革中采用的是线上教学的模式，教学过程录播视频上传到我校的线上教学平台，便于学生课后的回顾学习。

5 虚拟仿真数字电子技术实验实践举例

在数字电子技术实验教学中，我们完全借助Multisim 软件进行实验教学，下面使用基本门电路设计一个简易型四人抢答器为例。

5.1 设计方法

根据设计要求，四人抢答只有一个人抢答成功。假设四人操作的开关为A、B、C、D，无人抢答时开关打开。若任何一人先抢答按下对应开关且保持闭合，则与其对应的指示灯被点亮，表示抢答成功；而其他三人再操作开关，其对应的指示灯都不会亮起。因此，抢答器对应的逻辑状态如表1 所示。其中，La、Lb、Lc、Ld 表示指示灯，指示灯亮为1，不亮为0；A、B、C、D 为开关，按下闭合为1，否则，为0，×表示既可以为1 也可以为0。

表1 抢答器逻辑状态表

根据逻辑状态表得出，四人中只要有一人先抢答，其他人无论怎么操作指示灯都不亮，因此，可以通过四变量输入的与非门和非门相结合。四输入与非门其中一个输入对应一个开关的输入，其他三个输入接另外三路与非门输出，然后，在每个与非门的输出端再接一个非门与指示灯连接，这样就可以实现只有一人抢答成功的电路。

5.2 抢答器的电路设计及仿真

在Multisim 软件中，我们设计电路，首先，要找出需要的元器件和设备。电路中使用的非门这里选用的是TTL 系列中的74LS04 型号，四输入与非门选用的是TTL系列的74LS20型号。在器件栏中找到放置晶体管逻辑（TTL）这个图标，然后点击，出现如图3 所示的界面，在系列中选中74LS，再在元件栏中选择对应所需要的74LS20或74LS04放置到工作区即可。而5V电源和地线在图4中的组中选择，系列中选择，元件中选则所需要的地线为DGND，5V电源为VCC。开关和电阻都是在图4 组中的基本元器件中，开关在系列中，在元件栏可以选择相应的SPST开关，也可以选择其他的开关；电阻在系列中，在元件栏可以选择所需阻值的电阻，也可以任选一个电阻放置到工作区后在修改阻值大小。指示灯在组系列中，元件中有各种颜色的指示灯，任选一种即可。也可以使用LED与电阻结合使用，LED在组系列中，元件中有各种颜色的LED 可以选择。

图3 器件选择界面

图4 抢答器电路图

抢答器具体的电路接线如图4 所示。

若J1、J2、J3 和J4 开关都打开，指示灯X1、X2、X3 和X4 都不亮。若开关J1 先按下，J2、J3 和J4 无论如何操作都只有X1 指示灯亮起，如图5 所示。若开关J2 先按下，J1、J3 和J4 无论如何操作都只有X2 指示灯亮起。若开关J3 先按下，J1、J2 和J4 无论如何操作都只有X3 指示灯亮起。若开关J4 先按下，J1、J2 和J3 无论如何操作都只有X4 指示灯亮起。

图5 J1 开关先按下的仿真结果图

从上述仿真结果可以得出，该电路设计符合抢答器电路设计的要求。

6 结语

坚持“立德树人，以人为本”的高校教育理念，培养社会需要的人才为目标。通过本次线上虚拟仿真的数字电子技术实验课程教学的改革，不仅缓解了实验室紧缺的问题，最主要的是提高了学生对课程学习的兴趣，给学生提供了人性化、实践性、开放性强的实验教学环境。使学生在学习晦涩难懂的数字电子技术理论知识时，可以通过对电路的虚拟仿真加深对相关器件和电路的理解。通过课程内容和考核评价体系相结合，为培养研究型和应用型人才打下坚实的基础。