基于multisim的虛擬仿真軟件在數(shù)字電子技術(shù)教學中的應用

1、Equipment Manufactring Technology NO.11, 2007收稿日期 :2007-09-23作者簡介 :孫曉艷 (1970 , 女 , 湖北襄樊人 , 講師 (工程師 , 南京航空航天大學工程碩士研究生 , 從事電子技術(shù)的教學與研究?；?multisim 的虛擬仿真軟件在數(shù)字電子技術(shù)教學中的應用孫曉艷(無錫職業(yè)技術(shù)學院工業(yè)中心 , 江蘇 無錫 214121摘要 :虛擬教學和虛擬實驗是未來高等教育中最具優(yōu)勢、 最具發(fā)展?jié)摿Φ囊豁椉夹g(shù) , 尤其是在高職院校進一步加強網(wǎng)絡基礎建設、 數(shù)字 化建設以及信息化教學的背景下 , 借助基于 multisim 的虛擬仿真軟件有利

2、于教師不斷完善教學內(nèi)容 , 提高教學效果 , 開發(fā)學生的創(chuàng)造潛 力。就這一軟件在數(shù)字電子技術(shù)課程中輔助電子技術(shù)理論教學、 補充實驗設備不足、 提高課程設計質(zhì)量、 滲透素質(zhì)教育等方面作了有益 地研究與探索。文獻標識碼 :A文章編號 :1672-545X(200711-0152-03“數(shù)字電子技術(shù)” 是電子、 通信、 計算機、 機電等類專業(yè)的 重要基礎課。長期以來 , 課程的主要任務一直強調(diào)數(shù)字集成電 路內(nèi)部電路的設計方法與分析方法的研究 , 與高職專業(yè)更注重 學生掌握各種數(shù)字集成電路器件的外部特性與實際應用的培 養(yǎng)目標相違背。 因此 , 如何從高職教育的特點出發(fā) , 緊跟數(shù)字技 術(shù)的發(fā)展 , 搞

3、好課程的教學改革 , 提高教學質(zhì)量 , 是教學中一個 十分重要的課題。按照這種思路 , 在教學中引入基于 multisim 的虛擬仿真軟件 , 本文就這一軟件在數(shù)字電子技術(shù)課程中輔助 電子技術(shù)理論教學、 補充實驗設備不足、 提高課程設計質(zhì)量、 滲 透素質(zhì)教育等方面作了有益地研究與探索。1基于 multisim 的虛擬實驗系統(tǒng)的特點虛擬實驗是一種用虛擬儀器、 設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗儀器和 實驗設備進行實驗 , 對實驗結(jié)果的性能和實驗過程中產(chǎn)生的 “虛擬電路或設備” 進行預測和評價 , 從而縮短實驗操作時間和 設計周期 , 降低實驗成本的技術(shù)。在數(shù)字電子技術(shù)課程中實現(xiàn)虛擬實驗的關(guān)鍵技術(shù)是必須 有一套交

4、互性強、 開放度高、 易操作的設計軟件。 雖然實現(xiàn)這一 功能的軟件很多 , 但考慮到高職數(shù)字電子技術(shù)課程教學內(nèi)容 多 , 學時緊的特點 , 選用了加拿大 Interactive Image Technologies 公司推出的電路仿真與繪制軟件 M ultisim , 其具有以下特點 :(1 采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路 :在計算機屏幕上模仿 真實實驗室的工作臺 , 繪制電路圖需要的元器件、 電路仿真需 要的測試儀器均可直接從屏幕上選取 ;(2 軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似 , 可以實時顯示測量結(jié)果。(3 軟件帶有豐富的電路元件庫 , 提供多種電路分析方法。 (4 作為設計工具

5、, 可以同其他流行的電路分析、 設計和制板軟件交換數(shù)據(jù)。(5 還是一個優(yōu)秀的電子技術(shù)訓練工具 , 利用它提供的虛 擬儀器可以用比實驗室中更靈活的方式進行電路實驗 , 仿真電 路的實際運行情況 , 熟悉常用電子儀器測量方法。隨著高校網(wǎng)絡基礎建設、 數(shù)字化、 信息化建設的步伐 , 學生 對 M ultisim 軟 件 的 運 行 環(huán) 境 Windows98/2000/xp 等 都 很 熟 悉 , 因此學生已具備學習和使用 multisim 的基礎知識。2數(shù)字電子技術(shù)課程教學的現(xiàn)狀目前在全國范圍內(nèi)開展的示范院校的建設過程 , 正是推進高職教育教學改革發(fā)展、 催人奮進的一種機制。 因此 , 在數(shù)字電

6、子技術(shù)課程的設置、 整合、 內(nèi)容的精選和組織教學方面應堅持 “兩個相適應” 為原則 , 即課程的設置與崗位技術(shù)應用能力或?qū)?物操作能力培養(yǎng)相適應 , 深度與大專層次的高等技術(shù)應用型人 才相適應。理論知識突出必備的基礎和應用性 , 不刻意強調(diào)系 統(tǒng)性而側(cè)重適用性和針對性 ; 不強調(diào)繁雜的理論推導而側(cè)重應 用能力的培養(yǎng) , 取得了較好的教學效果 , 但也發(fā)現(xiàn)學生在學習 過程中存在以下問題 :(1 理論教學過程中 “教學練” 有待加強在理論教學中 , 如果“教” 只是傳統(tǒng)意義上的老師在黑板上 一味灌輸知識那種填鴨式的教學 , 在教學的全過程中教師就很 難充分調(diào)動學生的主動性 , 突出受教育者的積極參

7、與 , 按照傳 統(tǒng)的教法 , 往往大半學期過去了 , 學生只知道各種數(shù)字器件的 名稱和內(nèi)部電路原理 , 但不清楚學了有什么用 ? 更不知道如何 用這些器件組成數(shù)字電路系統(tǒng)。因為缺乏一個 “練” 的平臺 , 這 里的 “學” 也僅僅是學會老師所教的知識 , 而更重要的學習的方 法 , 自學能力的提高 , 學生獨立思考能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)卻 存在一定程度的缺失。152裝備制造技術(shù) 2007年第 11期(2 實驗教學有待加強在數(shù)字電子技術(shù)實驗教學中 , 傳統(tǒng)的教學方法是要求學生 完成某一典型電路的驗證 , 其內(nèi)容、 步驟、 電路、 儀器等都是事 先安排好的 , 學生只須按照實驗指導書安排的順序就能完

8、成實 驗 , 或者即便學生有不同的思路 , 但因受實驗條件限制也無法 開展實驗。 這樣造成的結(jié)果是限制了實驗內(nèi)容和形式的豐富多 彩 , 通過實驗學生雖然能夠?qū)W會一些儀器的使用和操作技能 , 但這樣的實驗結(jié)果和實驗報告往往是千篇一律、大同小異 , 不 能真正提高學生分析問題、 解決問題的能力 , 也難以激發(fā)他們 的求知欲和創(chuàng)新精神。(3 課程設計時學生的設計思想很難達成在傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)課程設計中 , 要耗費很多時間來分析 和搭建電路 , 然后用相應的測試儀器進行測量 , 這樣設計開發(fā) 時間長、 效率低 , 一旦出錯 , 往往要重新更換元器件 , 參數(shù)修改 也不方便 , 不利于設計者高效完成設計

9、思想。針對以上情況 , 數(shù)字電子技術(shù)課程改革以課堂和教師為中 心的傳統(tǒng)教學組織形式 , 根據(jù)高職數(shù)字電子技術(shù)課程的特點 , 在教學過程中引入 M ultisim 軟件 , 把學生的理論知識學習、 實 踐能力培養(yǎng)和綜合素質(zhì)提高三者緊密結(jié)合起來。3基于 multisim 的虛擬實驗系統(tǒng)在數(shù)字電子技術(shù)教 學中的應用研究在數(shù)字電子技術(shù)課程中引入 multisim 的理論基礎是建構(gòu) 主義學習理論 , 建構(gòu)主義認為 , 知識不是通過教師傳授得到 , 而 是學習者在一定的情景即社會文化背景下 , 借助其他人 (包括 教師和學習伙伴 的幫助 , 利用必要的學習資料 , 通過人際間的 協(xié)作活動而實現(xiàn)的主動構(gòu)建知

10、識意義的過程。 “情景” 、“ 協(xié)作” “會話” 、“ 意義建構(gòu)” 是學習環(huán)境中的四大要素。下面以基于 multisim 的虛擬實驗系統(tǒng)在數(shù)字電子技術(shù)教 學中的具體應用為例說明 :(1 有助于創(chuàng)建豐富的學習情景及 “教學練” 相結(jié)合 情景是建構(gòu)主義學習環(huán)境的首要內(nèi)容 , 情境設計是創(chuàng)造與 所學知識和技能主題相關(guān)的 , 能促進與支持學生學習的盡可能 真實的環(huán)境 , 為學生自主學習創(chuàng)造條件。數(shù)字電子技術(shù)是一門 實踐性較強的課程 , 在教學中要創(chuàng)設 “情景” 一般只是采用課堂 演示實驗 , 但通常在高職院校中可能會遇到實驗儀器匱乏、 電 路受溫度等環(huán)境影響大等困擾 , 造成失真或儀器精度直接影響 教

11、學效果等情況 , 而利用 multisim 軟件實際電路作為一種真實 表現(xiàn)電路工作狀態(tài)的開放靈活的示教手段 , 把實驗室和課堂有 機地融為一體 , 則解決了上述種種問題。例如 , 在講典型集成計數(shù)器芯片這一節(jié)課內(nèi)容時 , 利用工 業(yè)中心的資源優(yōu)勢 , 將理論教學選在配備了 multisim 軟件的機 房里進行。首先由教師將實訓項目 “計數(shù)顯示器” 引入 , 并利用 計算機模擬真實實驗室的工作臺 , 讓學生觀察實驗結(jié)果如圖 1所示 , 該實訓電路的功能是對輸入脈沖的個數(shù) (09 進行遞增 計數(shù) , 并通過譯碼顯示電路將所計的脈沖數(shù)顯示出來 , 并提出 問題 :74HC161芯片的功能是什么 ?

12、為什么稱之為計數(shù)器 ? 學 生帶著問題聽老師講解電路原理 , 使其認識到掌握相關(guān)知識和 技能是完成項目制作本身的需求 , 而不是教師對學生的刻意要 求 , 以達到在學生頭腦中產(chǎn)生主動建構(gòu)的過程。在給學生時間自己練習的過程中 , 為了完成這個項目學生 必須先去查手冊 , 了解計數(shù)器、 譯碼器、 數(shù)碼管、 與非門等器件 的管腳連接和功能表 , 雖然他們此時還不能理解功能表 , 通過 實訓項目的制作和測試 , 學生就能很容易地弄清楚這些器件的 功能和每個管腳的作用。與此同時還學會了查手冊 , 如何通過 查手冊獲得數(shù)字電路器件的使用方法 , 這對數(shù)字電路設計制作 者來說是十分有用的技能。另外 , 在教

13、學內(nèi)容上和習題中安排 了許多諸如同類芯片如何級連 ? 如何進行功能擴展 ? 如何用通 用計數(shù)器構(gòu)成任意進制計數(shù)器等等這樣一些在實際工作中十 分有用的技巧和方法 , 同時通過機房各機聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢 , 創(chuàng)造一 個互動的能相互促進共同提高的協(xié)作環(huán)境 , 構(gòu)建學生與學生之 間 , 學生與老師之間的語言溝通渠道。 讓學生共同來參與分析、 訓練 , 在整堂課中 “講學練” 相結(jié)合 , 取得了較好的教學效果。圖 1計數(shù)顯示器圖 2模擬面板布線(2 有助于加強實驗教學效果和提高實驗設施利用率 高職教育不是造就學術(shù)精英 , 而是以適應生產(chǎn)、建設、 管 理、 服務第一線需要的高素質(zhì)技術(shù)應用型人才為培養(yǎng)目標。因 此在

14、培養(yǎng)過程中 , 必須重視實踐能力的培養(yǎng) , 重視職業(yè)經(jīng)驗和 職業(yè)技能的獲得 , 實驗教學是高職教育的主體教學方式之一。 實驗通常包括實驗前的預習 , 實驗的組織 , 實驗報告的撰153Equipment Manufactring Technology NO.11, 2007寫三個環(huán)節(jié) , 在傳統(tǒng)實驗教學中由于普遍存在實驗內(nèi)容多、 上 課人數(shù)多、 資金和儀器套數(shù)不足、 實驗課教師人數(shù)緊缺、 實驗課 課時又十分有限等問題 , 而實驗前由于學生看不到儀器 , 不能 實際進行儀器操作 , 只能看講義預習 , 因此往往在真正的實驗 過程中趕時間測數(shù)據(jù) , 難以做到深入理解實驗方法 , 更不能進 行深入的

15、實驗研究。multisim 軟件功能強大 , 幾乎能夠仿真所有的數(shù)字電子技術(shù)實驗 , 在這樣一個生動活潑、形象逼真的學習環(huán)境中預習后 , 再到實驗室進行實驗時 , 一些注意事項、 實驗原理、 儀器使用方 法等由于已經(jīng)基本掌握 , 這就大大提高了實驗效率。特別是一 些設計性實驗 , 學生在實驗前利用 multisim 提供的實驗平臺 , 自己設計好實驗方案和實驗步驟進行仿真 , 可以很好地避免盲 目操作 , 拓展了學生的思維發(fā)展空間。更為重要的是仿真實驗 的引入突破了時間和空間的限制 , 使實驗場地不再局限于傳統(tǒng) 意義的實驗室 , 網(wǎng)絡機房、 EDA 實驗室甚至宿舍都可以用來進 行實驗 , 做到

16、一機多用 , 一室多用 , 學生利用校園網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)還 可隨時隨地上網(wǎng)進行預習、 實驗、 討論和提交實驗報告 , 從而大 大提高了實驗設施的利用率。(3 有助于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)高職畢業(yè)生上崗后的主要工作是解決生產(chǎn)過程中的各種 技術(shù)問題 , 從事諸如工藝革新、技術(shù)改造、 事故處理、 質(zhì)量監(jiān)測、 設法降低成本和消耗、 提高生產(chǎn)效率等工作 , 這就要求學生的 實踐能力不能僅僅停留于操作階段 , 要具有較強的分析判斷能 力 , 要有解決實際問題的綜合能力與手段 , 還要有在技術(shù)應用 性層面上一定的規(guī)劃、 設計、 開發(fā)能力和創(chuàng)新能力 , 為此 , 高職 教育將課程設計與創(chuàng)新課程作為實踐教學的重要內(nèi)容。由

17、于有些實驗設備昂貴 , 特別是較為先進的實驗設備 , 許 多學校資金不足難以購買 , 這種設施無法在課程設計中給學生 提供探究學習的場景 , 因此創(chuàng)新精神、 能力、 素質(zhì)等的培養(yǎng)無從 談起。 但隨著科學技術(shù)日新月異 , 新產(chǎn)品換代周期日趨短暫 , 職 業(yè)的分化與復合成為必然 , 產(chǎn)生了許多與高新技術(shù)直接有關(guān)的新的職業(yè)崗位 , 這些崗位 , 需要大量技術(shù)應用型人才。 作為將來 要在這類崗位解決生產(chǎn)、 技術(shù)、 工藝、 管理等一系列問題的高職 學生 , 在校期間 , 又必須了解專業(yè)技術(shù)未來發(fā)展方向 , 熟悉并掌 握崗位所需的關(guān)鍵技術(shù)。為此 , 高職教育要將與未來職業(yè)崗位 相關(guān)的新技術(shù)、 新工藝、 新

18、材料、 新設備等引入實踐教學 , 按照 更高的職業(yè)資格要求 , 按照生產(chǎn)實際的規(guī)范等對學生進行培養(yǎng) 與訓練。 仿真軟件的引入使學生既掌握了一種新的電子電路設 計軟件 , 又掌握了一門新型的實驗分析方法 , 尤其利用 multi-sim 作為課程設計實物制作前的設計分析工具 , 能充分發(fā)揮學生的主觀能動性和創(chuàng)造性 , 并按照可持續(xù)發(fā)展的思路為學生儲 備一定的理論知識和實踐技能 , 達到用先進、高新、 超前的實用 技術(shù)培養(yǎng)、 訓練學生的目的。 如果和 PCB 軟件模塊 Ultiboard 配 合使用 , 可以完成電路原理圖輸入、電路分析、 仿真、 制作印刷 電路板全套自動化工序 , 對培養(yǎng)學生的工

19、程實踐的觀點大有裨 益 , 圖 2為該軟件在面板上模擬布線。4結(jié)論基于 multisim 的虛擬實驗系統(tǒng)有利于教師不斷完善教學 內(nèi)容 , 提高教學效果 , 使學生在掌握基礎知識外 , 適當引入科學 技術(shù)發(fā)展新成就 , 在學生自身能力基礎上有效地發(fā)揮其主觀能 動性 , 開發(fā)了學生的創(chuàng)造潛力 , 但它只能輔助數(shù)字電路教學 , 而 不能代替理論和實驗教學 , 并且由于許多因素的限制 , 還需要 在今后的實際教學中揚長避短 , 不斷完善。參考文獻 :123The Application of Visual Simulate Software in Digital Electricity Technol

20、ogy Teaching Based SoftwareM ultisimSUN Xiao-yan(Industrial Center of Wuxi Institute of Technology , Wuxi Jiangsu 214121, China Abstract :Visual teaching and visual experiment is one of the most advantaged and potential technologies in the future higher educations, es-pecially in the time that higher vocational college. In order to strengthen the basic network infrastructure, digital construction and information teaching , it is