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

1、Equipment Manufactring Technology NO.11, 2007收稿日期 :2007-09-23作者簡(jiǎn)介 :孫曉艷 (1970 , 女 , 湖北襄樊人 , 講師 (工程師 , 南京航空航天大學(xué)工程碩士研究生 , 從事電子技術(shù)的教學(xué)與研究?；?multisim 的虛擬仿真軟件在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用孫曉艷(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)中心 , 江蘇 無錫 214121摘要 :虛擬教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)是未來高等教育中最具優(yōu)勢(shì)、 最具發(fā)展?jié)摿Φ囊豁?xiàng)技術(shù) , 尤其是在高職院校進(jìn)一步加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)、 數(shù)字 化建設(shè)以及信息化教學(xué)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(xué)內(nèi)容 , 提高教學(xué)效果 , 開發(fā)學(xué)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(xué)、 補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、 提高課程設(shè)計(jì)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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A文章編號(hào) :1672-545X(200711-0152-03“數(shù)字電子技術(shù)” 是電子、 通信、 計(jì)算機(jī)、 機(jī)電等類專業(yè)的 重要基礎(chǔ)課。長(zhǎng)期以來 , 課程的主要任務(wù)一直強(qiáng)調(diào)數(shù)字集成電 路內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)方法與分析方法的研究 , 與高職專業(yè)更注重 學(xué)生掌握各種數(shù)字集成電路器件的外部特性與實(shí)際應(yīng)用的培 養(yǎng)目標(biāo)相違背。 因此 , 如何從高職教育的特點(diǎn)出發(fā) , 緊跟數(shù)字技 術(shù)的發(fā)展 , 搞

3、好課程的教學(xué)改革 , 提高教學(xué)質(zhì)量 , 是教學(xué)中一個(gè) 十分重要的課題。按照這種思路 , 在教學(xué)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(xué)、 補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、 提高課程設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)虛擬實(shí)驗(yàn)是一種用虛擬儀器、 設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器和 實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn) , 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的性能和實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的 “虛擬電路或設(shè)備” 進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià) , 從而縮短實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間和 設(shè)計(jì)周期 , 降低實(shí)驗(yàn)成本的技術(shù)。在數(shù)字電子技術(shù)課程中實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)是必須 有一套交

4、互性強(qiáng)、 開放度高、 易操作的設(shè)計(jì)軟件。 雖然實(shí)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(xué)內(nèi)容 多 , 學(xué)時(shí)緊的特點(diǎn) , 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(diǎn) :(1 采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路 :在計(jì)算機(jī)屏幕上模仿 真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái) , 繪制電路圖需要的元器件、 電路仿真需 要的測(cè)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(shí)物相似 , 可以實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。(3 軟件帶有豐富的電路元件庫(kù) , 提供多種電路分析方法。 (4 作為設(shè)計(jì)工具

5、, 可以同其他流行的電路分析、 設(shè)計(jì)和制板軟件交換數(shù)據(jù)。(5 還是一個(gè)優(yōu)秀的電子技術(shù)訓(xùn)練工具 , 利用它提供的虛 擬儀器可以用比實(shí)驗(yàn)室中更靈活的方式進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn) , 仿真電 路的實(shí)際運(yùn)行情況 , 熟悉常用電子儀器測(cè)量方法。隨著高校網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)、 數(shù)字化、 信息化建設(shè)的步伐 , 學(xué)生 對(duì) M ultisim 軟 件 的 運(yùn) 行 環(huán) 境 Windows98/2000/xp 等 都 很 熟 悉 , 因此學(xué)生已具備學(xué)習(xí)和使用 multisim 的基礎(chǔ)知識(shí)。2數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)的現(xiàn)狀目前在全國(guó)范圍內(nèi)開展的示范院校的建設(shè)過程 , 正是推進(jìn)高職教育教學(xué)改革發(fā)展、 催人奮進(jìn)的一種機(jī)制。 因此 , 在數(shù)字電

6、子技術(shù)課程的設(shè)置、 整合、 內(nèi)容的精選和組織教學(xué)方面應(yīng)堅(jiān)持 “兩個(gè)相適應(yīng)” 為原則 , 即課程的設(shè)置與崗位技術(shù)應(yīng)用能力或?qū)?物操作能力培養(yǎng)相適應(yīng) , 深度與大專層次的高等技術(shù)應(yīng)用型人 才相適應(yīng)。理論知識(shí)突出必備的基礎(chǔ)和應(yīng)用性 , 不刻意強(qiáng)調(diào)系 統(tǒng)性而側(cè)重適用性和針對(duì)性 ; 不強(qiáng)調(diào)繁雜的理論推導(dǎo)而側(cè)重應(yīng) 用能力的培養(yǎng) , 取得了較好的教學(xué)效果 , 但也發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí) 過程中存在以下問題 :(1 理論教學(xué)過程中 “教學(xué)練” 有待加強(qiáng)在理論教學(xué)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(shí)那種填鴨式的教學(xué) , 在教學(xué)的全過程中教師就很 難充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)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(xué)期過去了 , 學(xué)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(xué)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?yàn)槿狈σ粋€(gè) “練” 的平臺(tái) , 這 里的 “學(xué)” 也僅僅是學(xué)會(huì)老師所教的知識(shí) , 而更重要的學(xué)習(xí)的方 法 , 自學(xué)能力的提高 , 學(xué)生獨(dú)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(shí)驗(yàn)教學(xué)有待加強(qiáng)在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中 , 傳統(tǒng)的教學(xué)方法是要求學(xué)生 完成某一典型電路的驗(yàn)證 , 其內(nèi)容、 步驟、 電路、 儀器等都是事 先安排好的 , 學(xué)生只須按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書安排的順序就能完

8、成實(shí) 驗(yàn) , 或者即便學(xué)生有不同的思路 , 但因受實(shí)驗(yàn)條件限制也無法 開展實(shí)驗(yàn)。 這樣造成的結(jié)果是限制了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和形式的豐富多 彩 , 通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生雖然能夠?qū)W會(huì)一些儀器的使用和操作技能 , 但這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告往往是千篇一律、大同小異 , 不 能真正提高學(xué)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(shè)計(jì)時(shí)學(xué)生的設(shè)計(jì)思想很難達(dá)成在傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)中 , 要耗費(fèi)很多時(shí)間來分析 和搭建電路 , 然后用相應(yīng)的測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)量 , 這樣設(shè)計(jì)開發(fā) 時(shí)間長(zhǎng)、 效率低 , 一旦出錯(cuò) , 往往要重新更換元器件 , 參數(shù)修改 也不方便 , 不利于設(shè)計(jì)者高效完成設(shè)計(jì)

9、思想。針對(duì)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(xué)組織形式 , 根據(jù)高職數(shù)字電子技術(shù)課程的特點(diǎn) , 在教學(xué)過程中引入 M ultisim 軟件 , 把學(xué)生的理論知識(shí)學(xué)習(xí)、 實(shí) 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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在數(shù)字電子技術(shù)教 學(xué)中的應(yīng)用研究在數(shù)字電子技術(shù)課程中引入 multisim 的理論基礎(chǔ)是建構(gòu) 主義學(xué)習(xí)理論 , 建構(gòu)主義認(rèn)為 , 知識(shí)不是通過教師傳授得到 , 而 是學(xué)習(xí)者在一定的情景即社會(huì)文化背景下 , 借助其他人 (包括 教師和學(xué)習(xí)伙伴 的幫助 , 利用必要的學(xué)習(xí)資料 , 通過人際間的 協(xié)作活動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)構(gòu)建知

10、識(shí)意義的過程。 “情景” 、“ 協(xié)作” “會(huì)話” 、“ 意義建構(gòu)” 是學(xué)習(xí)環(huán)境中的四大要素。下面以基于 multisim 的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在數(shù)字電子技術(shù)教 學(xué)中的具體應(yīng)用為例說明 :(1 有助于創(chuàng)建豐富的學(xué)習(xí)情景及 “教學(xué)練” 相結(jié)合 情景是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境的首要內(nèi)容 , 情境設(shè)計(jì)是創(chuàng)造與 所學(xué)知識(shí)和技能主題相關(guān)的 , 能促進(jìn)與支持學(xué)生學(xué)習(xí)的盡可能 真實(shí)的環(huán)境 , 為學(xué)生自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件。數(shù)字電子技術(shù)是一門 實(shí)踐性較強(qiáng)的課程 , 在教學(xué)中要?jiǎng)?chuàng)設(shè) “情景” 一般只是采用課堂 演示實(shí)驗(yàn) , 但通常在高職院校中可能會(huì)遇到實(shí)驗(yàn)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(xué)效果等情況 , 而利用 multisim 軟件實(shí)際電路作為一種真實(shí) 表現(xiàn)電路工作狀態(tài)的開放靈活的示教手段 , 把實(shí)驗(yàn)室和課堂有 機(jī)地融為一體 , 則解決了上述種種問題。例如 , 在講典型集成計(jì)數(shù)器芯片這一節(jié)課內(nèi)容時(shí) , 利用工 業(yè)中心的資源優(yōu)勢(shì) , 將理論教學(xué)選在配備了 multisim 軟件的機(jī) 房里進(jìn)行。首先由教師將實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 “計(jì)數(shù)顯示器” 引入 , 并利用 計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái) , 讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 1所示 , 該實(shí)訓(xùn)電路的功能是對(duì)輸入脈沖的個(gè)數(shù) (09 進(jìn)行遞增 計(jì)數(shù) , 并通過譯碼顯示電路將所計(jì)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(jì)數(shù)器 ? 學(xué) 生帶著問題聽老師講解電路原理 , 使其認(rèn)識(shí)到掌握相關(guān)知識(shí)和 技能是完成項(xiàng)目制作本身的需求 , 而不是教師對(duì)學(xué)生的刻意要 求 , 以達(dá)到在學(xué)生頭腦中產(chǎn)生主動(dòng)建構(gòu)的過程。在給學(xué)生時(shí)間自己練習(xí)的過程中 , 為了完成這個(gè)項(xiàng)目學(xué)生 必須先去查手冊(cè) , 了解計(jì)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(shí)還不能理解功能表 , 通過 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的制作和測(cè)試 , 學(xué)生就能很容易地弄清楚這些器件的 功能和每個(gè)管腳的作用。與此同時(shí)還學(xué)會(huì)了查手冊(cè) , 如何通過 查手冊(cè)獲得數(shù)字電路器件的使用方法 , 這對(duì)數(shù)字電路設(shè)計(jì)制作 者來說是十分有用的技能。另外 , 在教

13、學(xué)內(nèi)容上和習(xí)題中安排 了許多諸如同類芯片如何級(jí)連 ? 如何進(jìn)行功能擴(kuò)展 ? 如何用通 用計(jì)數(shù)器構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器等等這樣一些在實(shí)際工作中十 分有用的技巧和方法 , 同時(shí)通過機(jī)房各機(jī)聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì) , 創(chuàng)造一 個(gè)互動(dòng)的能相互促進(jìn)共同提高的協(xié)作環(huán)境 , 構(gòu)建學(xué)生與學(xué)生之 間 , 學(xué)生與老師之間的語言溝通渠道。 讓學(xué)生共同來參與分析、 訓(xùn)練 , 在整堂課中 “講學(xué)練” 相結(jié)合 , 取得了較好的教學(xué)效果。圖 1計(jì)數(shù)顯示器圖 2模擬面板布線(2 有助于加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和提高實(shí)驗(yàn)設(shè)施利用率 高職教育不是造就學(xué)術(shù)精英 , 而是以適應(yīng)生產(chǎn)、建設(shè)、 管 理、 服務(wù)第一線需要的高素質(zhì)技術(shù)應(yīng)用型人才為培養(yǎng)目標(biāo)。因 此在

14、培養(yǎng)過程中 , 必須重視實(shí)踐能力的培養(yǎng) , 重視職業(yè)經(jīng)驗(yàn)和 職業(yè)技能的獲得 , 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高職教育的主體教學(xué)方式之一。 實(shí)驗(yàn)通常包括實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí) , 實(shí)驗(yàn)的組織 , 實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰153Equipment Manufactring Technology NO.11, 2007寫三個(gè)環(huán)節(jié) , 在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中由于普遍存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多、 上 課人數(shù)多、 資金和儀器套數(shù)不足、 實(shí)驗(yàn)課教師人數(shù)緊缺、 實(shí)驗(yàn)課 課時(shí)又十分有限等問題 , 而實(shí)驗(yàn)前由于學(xué)生看不到儀器 , 不能 實(shí)際進(jìn)行儀器操作 , 只能看講義預(yù)習(xí) , 因此往往在真正的實(shí)驗(yàn) 過程中趕時(shí)間測(cè)數(shù)據(jù) , 難以做到深入理解實(shí)驗(yàn)方法 , 更不能進(jìn) 行深入的

15、實(shí)驗(yàn)研究。multisim 軟件功能強(qiáng)大 , 幾乎能夠仿真所有的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn) , 在這樣一個(gè)生動(dòng)活潑、形象逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境中預(yù)習(xí)后 , 再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí) , 一些注意事項(xiàng)、 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)效率。特別是一 些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) , 學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前利用 multisim 提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái) , 自己設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行仿真 , 可以很好地避免盲 目操作 , 拓展了學(xué)生的思維發(fā)展空間。更為重要的是仿真實(shí)驗(yàn) 的引入突破了時(shí)間和空間的限制 , 使實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不再局限于傳統(tǒng) 意義的實(shí)驗(yàn)室 , 網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、 EDA 實(shí)驗(yàn)室甚至宿舍都可以用來進(jìn) 行實(shí)驗(yàn) , 做到

16、一機(jī)多用 , 一室多用 , 學(xué)生利用校園網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)還 可隨時(shí)隨地上網(wǎng)進(jìn)行預(yù)習(xí)、 實(shí)驗(yàn)、 討論和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告 , 從而大 大提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)施的利用率。(3 有助于學(xué)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(cè)、 設(shè)法降低成本和消耗、 提高生產(chǎn)效率等工作 , 這就要求學(xué)生的 實(shí)踐能力不能僅僅停留于操作階段 , 要具有較強(qiáng)的分析判斷能 力 , 要有解決實(shí)際問題的綜合能力與手段 , 還要有在技術(shù)應(yīng)用 性層面上一定的規(guī)劃、 設(shè)計(jì)、 開發(fā)能力和創(chuàng)新能力 , 為此 , 高職 教育將課程設(shè)計(jì)與創(chuàng)新課程作為實(shí)踐教學(xué)的重要內(nèi)容。由

17、于有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴 , 特別是較為先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備 , 許 多學(xué)校資金不足難以購(gòu)買 , 這種設(shè)施無法在課程設(shè)計(jì)中給學(xué)生 提供探究學(xué)習(xí)的場(chǎng)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(xué)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(fù)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(yīng)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(xué)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(shè)備等引入實(shí)踐教學(xué) , 按照 更高的職業(yè)資格要求 , 按照生產(chǎn)實(shí)際的規(guī)范等對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng) 與訓(xùn)練。 仿真軟件的引入使學(xué)生既掌握了一種新的電子電路設(shè) 計(jì)軟件 , 又掌握了一門新型的實(shí)驗(yàn)分析方法 , 尤其利用 multi-sim 作為課程設(shè)計(jì)實(shí)物制作前的設(shè)計(jì)分析工具 , 能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性 , 并按照可持續(xù)發(fā)展的思路為學(xué)生儲(chǔ) 備一定的理論知識(shí)和實(shí)踐技能 , 達(dá)到用先進(jìn)、高新、 超前的實(shí)用 技術(shù)培養(yǎng)、 訓(xùn)練學(xué)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(dòng)化工序 , 對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工

19、程實(shí)踐的觀點(diǎn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有利于教師不斷完善教學(xué) 內(nèi)容 , 提高教學(xué)效果 , 使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)外 , 適當(dāng)引入科學(xué) 技術(shù)發(fā)展新成就 , 在學(xué)生自身能力基礎(chǔ)上有效地發(fā)揮其主觀能 動(dòng)性 , 開發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造潛力 , 但它只能輔助數(shù)字電路教學(xué) , 而 不能代替理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué) , 并且由于許多因素的限制 , 還需要 在今后的實(shí)際教學(xué)中揚(yáng)長(zhǎng)避短 , 不斷完善。參考文獻(xiàn) :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