基于虚拟仿真的数字电子技术实验教学改革与实践

摘 要：该文主要从改革的意义和举措两个方面进行阐述，针对当前数字电子技术实验教学的不足，采用基于网络化的虚拟仿真技术进行数字电子技术实验教学改革与实践。实践证明，基于虚拟仿真的数字电子技术实验适应时代发展的需求，激发了学生学习的热情，提高了授课效果。

关键词：数字电子技术实验 虚拟仿真 改革与实践

中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10（b）-0082-02

数字电子技术是笔者学校精品课程，目前正在进行网络资源共享课的建设，同时它也是理工科电气工程及其自动化、电气自动化技术、机械设计制造及其制动化、物联网工程、应用物理学和计算机科学与技术等专业的专业基础课。该课程不仅具有自身的理论体系而且实践性非常强。该课程主要的内容是解决数字电子电路相关理论的入门，学生能够在掌握基本理论的同时进行简单的设计，掌握分析和设计的基本方法和基本技能，为后学专业课的学习打下良好的基础。

以往的数电实验教学基本上是硬件实验室内部操作。学生在学习完理论课后，在实验课上直接通过实验台进行验证性操作或者简单设计再通过实验箱搭建电路，这样的操作设计性比较差，很多知识的掌握达不到加强巩固的效果。如果有一个好的实验平台能够让学生对所学的内容进行及时的验证，教学效果会大幅度地提高。对一些兴趣比较高、学有余力的学生还可以针对实际问题设计一些电路，然后在平台上练习，从而发现问题解决问题。去年该校购置了虚拟仿真平台，但是由于网络不稳定、平台的操作不熟练等因素影响，目前数电实验目前还停留在实验箱的阶段，虽然经过一定的改革增加了面包板，学生的动手能力有一定的提高。但因有许多问题出现，如初学者对原理掌握不牢固、理论知识跟不上实验内容效果不佳、教学评价和实验考核手段比较单一、设备的故障频发、设备升级不方便等诸多因素严重影响教学，也限制了学生的创造力和学习的主观能动性。

1 数字电子实验教学改革的意义

数字电子技术工程性和实践性极强，相应实验课程的开设，不仅可以帮助学生理解和掌握该课程的基本内容，还可以提高学生的动手能力，培养学生的创新思维。利用网络技术、计算机技术与虚拟仿真技术在计算机上构建一个虚拟实验室环境，提供可操作虚拟实验仪器，使学生在互联网上通过接近真实的人机交互界面完成实验，同时还提供网络实验教学的一体化管理功能[1]。该校在电类专业中开展了部分仿真课程的公共选修课和专业选修课，已经购置了仿真平台，以及计算机机房等硬件设备，对于数电实验的仿真有一定的基础。但是实践教学内容和人才培养模式还有一定的差距，而且并不互相兼容，需要系统的虚拟仿真实验机制来提高实验教学和管理的有效性和可行性。

采用虚拟仿真的数字电子技术实验的开设不仅可以弥补传统硬件实验的不足，提高学生学习的兴趣、动手能力的培养及综合素质的提升，而且具有以下几点优势。

（1）解决了传统实验资金不足或不能及时到位的现象。虚拟仿真不像硬件实验室那样需要比较高额的维护费用，而且维护起来不受时间和地点的限制，利于实验教学的管理。

（2）通过综合实验群，实现综合利用资源。数电实验涉及到信号的产生，数字电路的实现，可将虚拟软件平台和EDA实验室及信号与系统实验室等多个实验平台构建，共同完成综合性和设计性实验的仿真及操作。

（3）互动性较强。网络化实验室虚拟操作可以实现生与生、生与师、师与师之间的远程互动与交流。老师可以有效地对学生进行实验指导、监督和考核，学生通过交流很快地掌握实验内容，有效地进行实验操作。

（4）提升学生自主学习的能力。学生可以根据自身条件，除了完成老师交代的内容之外，设计自己喜欢的实验环境和实验模式，自我设计与创造，提高自我学习的能力、锻炼动手能力和设计能力。

（5）与科技发展同步，保证实验的先进性与前瞻性。及时有效地对虚拟软件进行更新，与时俱进地采用新的方法授课，引入新的实验内容，提高学生开展探索性、研究性、创新创意性实验。

2 虚拟仿真数字电子技术实验改革与实践的举措

为了培养中国特色应用技术型人才，教学中必须加强学生的技术理论、注重技术应用、突出实践教学，而加强实践性教学环节建设正是整个教学过程的一个基础。

2.1 改革教学过程

通过学习其他院校实验教学模式，根据当前信息网络技术发展特点，参考其教学经验与做法，对该课程的教学过程加以调整。针对不同的专业选用不同的教材，精选教学内容、精炼讲课题材。

2.2 完善教学大纲，实现人才培养目标，适应人才培养模式

通过课题组成员授课经验及学习研究的结果，商讨完善教学大纲，制定比较合理的实验教学考核机制，实现人才培养目标。

2.3 改革实践教学内容和方法

通过引入现代化的教学手段，推进实验教学方法和手段的提高及改革。构建以网络为载体的教学平台，借助一些虚拟软件实现虚实结合的实践教学方法。通过已有的虚拟仿真实验平台结合原有的硬件设备进行数字电子技术实验教学，提高了设备的利用率，降低了实验成本，提高了实验授课效果。通过改革实验教学内容，优化验证性实验，加强综合性、设计性和创新性实验，注重学生创新精神和实践能力的培养。

教学内容采用虚实结合的授课方式，突出实验多元化、层次化和系统性。具体实验内容由数制和码制、基本门电路的测试、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲的产生与整形、ADC和DAC、半导体存储器和可编程逻辑器件等构成。[1]通过虚拟实验电路的搭建，使学生对实际电路具有比较直观的认识，培养学生解决实际问题的能力。

2.4 建設综合实验团队

通过教师或学生自发组织相关协会构建综合实验团队，定期进行数字电子技术实践理论知识的讲授和电子线路的设计。形式可以多样化、多元化，如讲座、授课、竞赛和观摩等。

2.5 构建虚拟实验室，实现开放式教学

利用虚拟仿真实验教学平台、计算机网络和数字电子技术硬件实验室共同构建虚拟数字电子技术实验室，实现一个互联网上的虚拟实验环境。虚拟仿真实验教学平台主要包括实验教学管理、实验教学务管理、实验前理论知识学习、实验过程智能指导、实验结果自动批改、互动交流通知、实验教学效果评估和实验教学资源管理等9个模块，实现开放式虚拟仿真实验教学管理和共享。该平台不仅可以实现数字电子技术的实验操作，还可以扩展到课程设计和课程实训环节的教学。

利用网络建立关于数字电子技术实验为主题的论坛，以促进不同用户间的信息交流，了解最前沿的数字电子技术实验，开拓视野[3]。

2.6 构建综合实验群

打破课程界限，实行多门实验交叉汇合，建立综合实验群。数字电子技术是一门逻辑性非常强的课程，逻辑变量的产生、传输和处理过程要求比较严谨，具有工程性和实践性两大特点。将已有的数电实验室、通信实验室、虚拟仿真平台和EDA、信号与系统等多个实验平台构建一个适用于工科专业的电类虚拟实验综合实验群，共同来完成综合性、设计性实验的操作，提高学生学习兴趣，促进教学效果的提高。

2.7 改革实验教材

针对该校转型发展的目标，该院在人才培养模式上也应有所变化，要促进电类学生知识、能力、素质的平衡协调发展，提高学生的工程实践能力和创新意识。结合实际情况改革实验教材。这样既能提高学生的创新意识，也能培养其解决实际工程问题的能力。

2.8 改革考评机制

过去的数字电子技术实验都是平时成绩加期末抽取实验操作一次性考核的方式进行。通过虚拟仿真后的试验考核方式采用考勤成绩、平时操作成绩、提交作业成绩、创新成绩综合考评。同时建立学评学、师评学、学评师的考核机制，共同进步，共同促进教学质量的提高。

3 结语

坚持“育人为本”“以生为本”的基本教育理念，培养应用技术型人才是我们的最终目标。通过实践证明，对已有的实验室及其设备进行合理整合，构建综合实验群，不仅可以实现数字电子技术综合实验和设计实验的有效进行，也可以实现其他实验的有效进行。

通过丰富的仿真实验、实训软件培养学生分析问题、解决问题的能力，提高学生设计和创新的能力；整合已有硬件资源和虚拟网络结合的方式使学生对实际电路有比较直观的认识，既提高了现有设备的利用率，降低了实验成本，又提高了实践教学的效果；最终促进学生“善学习、善实践、善应用”的专业素养和实践创新能力的培养。

参考文献

[1]周伟英.基于虚拟实践平台的“数字电子技术”课程教学改革与实践[J].中国电力教育CEPE，2010（34）：148.

[2]刘炳灿.国家重点实验室建设的回顾和展望[J].中国高校科技与产业化，2005（11）：28-31.

[3]黄琳，丁宏刚.加强大型仪器设备资源共享平台建设 促进国家重点实验室对外开放[J].实验室研究与探索，2006，25（8）：1002-1004.

[4]姜兆纯.浅谈高校实验室设备管理人员的素养[J].中国现代教育装备，2006（4）：29-30.

[5]朱西桂，赵永俭.加强机制创新，推进大型仪器设备管理工作[J].实验室研究与探索，2003，22（2）：117-119.

[6]傅秀芬，聞星火.建立高校实验技术成果奖励制度的实践与认识[J].实验技术与管理，2004，21（6）：9-13.

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