基于multisim的虚拟仿真软件在数字电子技术教学中的应用

1、Equipment Manufactring Technology NO.11, 2007收稿日期 :2007-09-23作者简介 :孙晓艳 (1970 , 女 , 湖北襄樊人 , 讲师 (工程师 , 南京航空航天大学工程硕士研究生 , 从事电子技术的教学与研究。基于 multisim 的虚拟仿真软件在数字电子技术教学中的应用孙晓艳(无锡职业技术学院工业中心 , 江苏 无锡 214121摘要 :虚拟教学和虚拟实验是未来高等教育中最具优势、 最具发展潜力的一项技术 , 尤其是在高职院校进一步加强网络基础建设、 数字 化建设以及信息化教学的背景下 , 借助基于 multisim 的虚拟仿真软件有利

2、于教师不断完善教学内容 , 提高教学效果 , 开发学生的创造潜 力。就这一软件在数字电子技术课程中辅助电子技术理论教学、 补充实验设备不足、 提高课程设计质量、 渗透素质教育等方面作了有益 地研究与探索。文献标识码 :A文章编号 :1672-545X(200711-0152-03“数字电子技术” 是电子、 通信、 计算机、 机电等类专业的 重要基础课。长期以来 , 课程的主要任务一直强调数字集成电 路内部电路的设计方法与分析方法的研究 , 与高职专业更注重 学生掌握各种数字集成电路器件的外部特性与实际应用的培 养目标相违背。 因此 , 如何从高职教育的特点出发 , 紧跟数字技 术的发展 , 搞

3、好课程的教学改革 , 提高教学质量 , 是教学中一个 十分重要的课题。按照这种思路 , 在教学中引入基于 multisim 的虚拟仿真软件 , 本文就这一软件在数字电子技术课程中辅助 电子技术理论教学、 补充实验设备不足、 提高课程设计质量、 渗 透素质教育等方面作了有益地研究与探索。1基于 multisim 的虚拟实验系统的特点虚拟实验是一种用虚拟仪器、 设备代替传统的实验仪器和 实验设备进行实验 , 对实验结果的性能和实验过程中产生的 “虚拟电路或设备” 进行预测和评价 , 从而缩短实验操作时间和 设计周期 , 降低实验成本的技术。在数字电子技术课程中实现虚拟实验的关键技术是必须 有一套交

4、互性强、 开放度高、 易操作的设计软件。 虽然实现这一 功能的软件很多 , 但考虑到高职数字电子技术课程教学内容 多 , 学时紧的特点 , 选用了加拿大 Interactive Image Technologies 公司推出的电路仿真与绘制软件 M ultisim , 其具有以下特点 :(1 采用直观的图形界面创建电路 :在计算机屏幕上模仿 真实实验室的工作台 , 绘制电路图需要的元器件、 电路仿真需 要的测试仪器均可直接从屏幕上选取 ;(2 软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似 , 可以实时显示测量结果。(3 软件带有丰富的电路元件库 , 提供多种电路分析方法。 (4 作为设计工具

5、, 可以同其他流行的电路分析、 设计和制板软件交换数据。(5 还是一个优秀的电子技术训练工具 , 利用它提供的虚 拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验 , 仿真电 路的实际运行情况 , 熟悉常用电子仪器测量方法。随着高校网络基础建设、 数字化、 信息化建设的步伐 , 学生 对 M ultisim 软 件 的 运 行 环 境 Windows98/2000/xp 等 都 很 熟 悉 , 因此学生已具备学习和使用 multisim 的基础知识。2数字电子技术课程教学的现状目前在全国范围内开展的示范院校的建设过程 , 正是推进高职教育教学改革发展、 催人奋进的一种机制。 因此 , 在数字电

6、子技术课程的设置、 整合、 内容的精选和组织教学方面应坚持 “两个相适应” 为原则 , 即课程的设置与岗位技术应用能力或实 物操作能力培养相适应 , 深度与大专层次的高等技术应用型人 才相适应。理论知识突出必备的基础和应用性 , 不刻意强调系 统性而侧重适用性和针对性 ; 不强调繁杂的理论推导而侧重应 用能力的培养 , 取得了较好的教学效果 , 但也发现学生在学习 过程中存在以下问题 :(1 理论教学过程中 “教学练” 有待加强在理论教学中 , 如果“教” 只是传统意义上的老师在黑板上 一味灌输知识那种填鸭式的教学 , 在教学的全过程中教师就很 难充分调动学生的主动性 , 突出受教育者的积极参

7、与 , 按照传 统的教法 , 往往大半学期过去了 , 学生只知道各种数字器件的 名称和内部电路原理 , 但不清楚学了有什么用 ? 更不知道如何 用这些器件组成数字电路系统。因为缺乏一个 “练” 的平台 , 这 里的 “学” 也仅仅是学会老师所教的知识 , 而更重要的学习的方 法 , 自学能力的提高 , 学生独立思考能力和创新能力的培养却 存在一定程度的缺失。152装备制造技术 2007年第 11期(2 实验教学有待加强在数字电子技术实验教学中 , 传统的教学方法是要求学生 完成某一典型电路的验证 , 其内容、 步骤、 电路、 仪器等都是事 先安排好的 , 学生只须按照实验指导书安排的顺序就能完

8、成实 验 , 或者即便学生有不同的思路 , 但因受实验条件限制也无法 开展实验。 这样造成的结果是限制了实验内容和形式的丰富多 彩 , 通过实验学生虽然能够学会一些仪器的使用和操作技能 , 但这样的实验结果和实验报告往往是千篇一律、大同小异 , 不 能真正提高学生分析问题、 解决问题的能力 , 也难以激发他们 的求知欲和创新精神。(3 课程设计时学生的设计思想很难达成在传统数字电子技术课程设计中 , 要耗费很多时间来分析 和搭建电路 , 然后用相应的测试仪器进行测量 , 这样设计开发 时间长、 效率低 , 一旦出错 , 往往要重新更换元器件 , 参数修改 也不方便 , 不利于设计者高效完成设计

9、思想。针对以上情况 , 数字电子技术课程改革以课堂和教师为中 心的传统教学组织形式 , 根据高职数字电子技术课程的特点 , 在教学过程中引入 M ultisim 软件 , 把学生的理论知识学习、 实 践能力培养和综合素质提高三者紧密结合起来。3基于 multisim 的虚拟实验系统在数字电子技术教 学中的应用研究在数字电子技术课程中引入 multisim 的理论基础是建构 主义学习理论 , 建构主义认为 , 知识不是通过教师传授得到 , 而 是学习者在一定的情景即社会文化背景下 , 借助其他人 (包括 教师和学习伙伴 的帮助 , 利用必要的学习资料 , 通过人际间的 协作活动而实现的主动构建知

10、识意义的过程。 “情景” 、“ 协作” “会话” 、“ 意义建构” 是学习环境中的四大要素。下面以基于 multisim 的虚拟实验系统在数字电子技术教 学中的具体应用为例说明 :(1 有助于创建丰富的学习情景及 “教学练” 相结合 情景是建构主义学习环境的首要内容 , 情境设计是创造与 所学知识和技能主题相关的 , 能促进与支持学生学习的尽可能 真实的环境 , 为学生自主学习创造条件。数字电子技术是一门 实践性较强的课程 , 在教学中要创设 “情景” 一般只是采用课堂 演示实验 , 但通常在高职院校中可能会遇到实验仪器匮乏、 电 路受温度等环境影响大等困扰 , 造成失真或仪器精度直接影响 教

11、学效果等情况 , 而利用 multisim 软件实际电路作为一种真实 表现电路工作状态的开放灵活的示教手段 , 把实验室和课堂有 机地融为一体 , 则解决了上述种种问题。例如 , 在讲典型集成计数器芯片这一节课内容时 , 利用工 业中心的资源优势 , 将理论教学选在配备了 multisim 软件的机 房里进行。首先由教师将实训项目 “计数显示器” 引入 , 并利用 计算机模拟真实实验室的工作台 , 让学生观察实验结果如图 1所示 , 该实训电路的功能是对输入脉冲的个数 (09 进行递增 计数 , 并通过译码显示电路将所计的脉冲数显示出来 , 并提出 问题 :74HC161芯片的功能是什么 ?

12、为什么称之为计数器 ? 学 生带着问题听老师讲解电路原理 , 使其认识到掌握相关知识和 技能是完成项目制作本身的需求 , 而不是教师对学生的刻意要 求 , 以达到在学生头脑中产生主动建构的过程。在给学生时间自己练习的过程中 , 为了完成这个项目学生 必须先去查手册 , 了解计数器、 译码器、 数码管、 与非门等器件 的管脚连接和功能表 , 虽然他们此时还不能理解功能表 , 通过 实训项目的制作和测试 , 学生就能很容易地弄清楚这些器件的 功能和每个管脚的作用。与此同时还学会了查手册 , 如何通过 查手册获得数字电路器件的使用方法 , 这对数字电路设计制作 者来说是十分有用的技能。另外 , 在教

13、学内容上和习题中安排 了许多诸如同类芯片如何级连 ? 如何进行功能扩展 ? 如何用通 用计数器构成任意进制计数器等等这样一些在实际工作中十 分有用的技巧和方法 , 同时通过机房各机联网的优势 , 创造一 个互动的能相互促进共同提高的协作环境 , 构建学生与学生之 间 , 学生与老师之间的语言沟通渠道。 让学生共同来参与分析、 训练 , 在整堂课中 “讲学练” 相结合 , 取得了较好的教学效果。图 1计数显示器图 2模拟面板布线(2 有助于加强实验教学效果和提高实验设施利用率 高职教育不是造就学术精英 , 而是以适应生产、建设、 管 理、 服务第一线需要的高素质技术应用型人才为培养目标。因 此在

14、培养过程中 , 必须重视实践能力的培养 , 重视职业经验和 职业技能的获得 , 实验教学是高职教育的主体教学方式之一。 实验通常包括实验前的预习 , 实验的组织 , 实验报告的撰153Equipment Manufactring Technology NO.11, 2007写三个环节 , 在传统实验教学中由于普遍存在实验内容多、 上 课人数多、 资金和仪器套数不足、 实验课教师人数紧缺、 实验课 课时又十分有限等问题 , 而实验前由于学生看不到仪器 , 不能 实际进行仪器操作 , 只能看讲义预习 , 因此往往在真正的实验 过程中赶时间测数据 , 难以做到深入理解实验方法 , 更不能进 行深入的

15、实验研究。multisim 软件功能强大 , 几乎能够仿真所有的数字电子技术实验 , 在这样一个生动活泼、形象逼真的学习环境中预习后 , 再到实验室进行实验时 , 一些注意事项、 实验原理、 仪器使用方 法等由于已经基本掌握 , 这就大大提高了实验效率。特别是一 些设计性实验 , 学生在实验前利用 multisim 提供的实验平台 , 自己设计好实验方案和实验步骤进行仿真 , 可以很好地避免盲 目操作 , 拓展了学生的思维发展空间。更为重要的是仿真实验 的引入突破了时间和空间的限制 , 使实验场地不再局限于传统 意义的实验室 , 网络机房、 EDA 实验室甚至宿舍都可以用来进 行实验 , 做到

16、一机多用 , 一室多用 , 学生利用校园网或互联网还 可随时随地上网进行预习、 实验、 讨论和提交实验报告 , 从而大 大提高了实验设施的利用率。(3 有助于学生创新能力的培养高职毕业生上岗后的主要工作是解决生产过程中的各种 技术问题 , 从事诸如工艺革新、技术改造、 事故处理、 质量监测、 设法降低成本和消耗、 提高生产效率等工作 , 这就要求学生的 实践能力不能仅仅停留于操作阶段 , 要具有较强的分析判断能 力 , 要有解决实际问题的综合能力与手段 , 还要有在技术应用 性层面上一定的规划、 设计、 开发能力和创新能力 , 为此 , 高职 教育将课程设计与创新课程作为实践教学的重要内容。由

17、于有些实验设备昂贵 , 特别是较为先进的实验设备 , 许 多学校资金不足难以购买 , 这种设施无法在课程设计中给学生 提供探究学习的场景 , 因此创新精神、 能力、 素质等的培养无从 谈起。 但随着科学技术日新月异 , 新产品换代周期日趋短暂 , 职 业的分化与复合成为必然 , 产生了许多与高新技术直接有关的新的职业岗位 , 这些岗位 , 需要大量技术应用型人才。 作为将来 要在这类岗位解决生产、 技术、 工艺、 管理等一系列问题的高职 学生 , 在校期间 , 又必须了解专业技术未来发展方向 , 熟悉并掌 握岗位所需的关键技术。为此 , 高职教育要将与未来职业岗位 相关的新技术、 新工艺、 新

18、材料、 新设备等引入实践教学 , 按照 更高的职业资格要求 , 按照生产实际的规范等对学生进行培养 与训练。 仿真软件的引入使学生既掌握了一种新的电子电路设 计软件 , 又掌握了一门新型的实验分析方法 , 尤其利用 multi-sim 作为课程设计实物制作前的设计分析工具 , 能充分发挥学生的主观能动性和创造性 , 并按照可持续发展的思路为学生储 备一定的理论知识和实践技能 , 达到用先进、高新、 超前的实用 技术培养、 训练学生的目的。 如果和 PCB 软件模块 Ultiboard 配 合使用 , 可以完成电路原理图输入、电路分析、 仿真、 制作印刷 电路板全套自动化工序 , 对培养学生的工

19、程实践的观点大有裨 益 , 图 2为该软件在面板上模拟布线。4结论基于 multisim 的虚拟实验系统有利于教师不断完善教学 内容 , 提高教学效果 , 使学生在掌握基础知识外 , 适当引入科学 技术发展新成就 , 在学生自身能力基础上有效地发挥其主观能 动性 , 开发了学生的创造潜力 , 但它只能辅助数字电路教学 , 而 不能代替理论和实验教学 , 并且由于许多因素的限制 , 还需要 在今后的实际教学中扬长避短 , 不断完善。参考文献 :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