虚拟实验教学平台在我区高校少数民族学生电子技术课程中的应用研究

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　　摘 要：科技的飞速发展，使仿真软件得以被应用于教学领域，在高校电子技术课程教学中，应用仿真软件来建立虚拟实验教学平台，能够有效解决教学工作中实验设备缺乏、元器件限制等问题，使高校电子技术课程能够按照预先的设计思想来开展设计性实验，进而有效弥补了传统教学模式所存在的不足。鉴于此，本文便以Multisim计算机仿真软件为应用实例，深入研究虚拟实验教学平台在高校电子技术课程中的相关应用。
　　关键词：Multisim; 教学平台; 电子技术课程
　　中图分类号：G642       文献标识码：A        文章编号：1006-3315（2020）1-124-003
　　 近些年来，在科学技术的带动下，我国在电子技术方面取得了突飞猛进的发展，各种新器件、新电路也得以被应用于各个领域。就目前来看，由于实验室条件的更新不够及时，这也使其越来越难以满足实验室对综合型与设计型实验的开展要求，再加上少数民族学生（蒙授生）高考录取分数普遍低、基础知识薄弱，从而给电子技术课程的教学成效造成了一定影响。为了营造良好的实验室环境，使高校少数民族学生能够更加顺利的开展电子技術课程实验，就必须要引入更加先进的实验方法与实验内容，尤其是需要应用Multisim仿真软件来建立对应的虚拟实验教学平台，通过虚拟实验教学平台来解决教学过程中的实验设备不足等问题，进而提高少数民族学生的学习主动性，激发其学习兴趣，从而达到提高教学成效的目的。
　　一、Multisim仿真软件及其在高校电子技术课程中的应用必要性
　　（一）Multisim仿真软件
　　 Multisim仿真软件是由美国NI公司所推出的一款计算机仿真软件，在该仿真软件中包含了超过千种以上的电路元器件，并且用户还能利用该软件添加新的电路元件。在Multisim软件中还包含有众多的虚拟仪器仪表，这些虚拟仪器仪表能够有效解决传统实验教学中实验设备不足的问题。Multisim仿真软件经过不断的更新换代，其功能也变得越来越完善，仿真效果也变得越来越逼真，软件性能愈发稳定。在教育领域中，Multisim软件不仅能够对电路进行模拟和设计，还能针对各种电子装置对其电路图进行设计，其能够有效应用于理论教学与实验教学之中。Multisim仿真软件在操作上较为简单，易于理解和学习，在电子技术专业中，学生能够利用Multisim软件来开展各种综合性的设计实验，使电子技术教学成效得到明显提升。Multisim软件具有直观友好的用户界面，其能够对电子实验室的工作台进行仿真模拟，学生可利用计算机来实现对元器件的选择、对电路的生成以及对仪器仪表的连接与测量等操作，在实验过程中，Multsim软件能够将实验结果显示在屏幕上，学生则可根据实验结果来对实验进行相应的调整，以此获得满意的实验成果。现如今，Multsim仿真软件已经成为高校电子技术课程中的重要辅助手段。
　　（二）应用必要性
　　 电子技术课程属于电类、机械类专业中的一门基础性课程，通过对电子技术课程进行学习，能够帮助学生掌握电子设备相关的基础知识，并对实际生活中的电子问题进行独立分析与解决，该门课程能够培养学生的职业意识，使学生具备更高的职业能力与综合素质。在电子技术课程教学中，通过进行实验教学，能够加深学生对电子技术理论知识的理解与掌握，使电子理论知识得以变得更加具体化、形象化。近年来，计算机的普及与应用，使工程技术领域越来越依赖于计算机辅助分析技术，其也成为新时代下高技能人才所必须掌握的技能。因此，在电子技术教学中，将计算机应用于教学工作中来发挥其辅助性作用，已经成为未来趋势。在电子技术课程教学中，往往要进行大量的实验来验证设计思想的正确性，在此过程中需要应用到诸多的仪器和设备，但这些仪器和设备的采购无疑是一笔极大的费用，这势必会给高校带来很大负担，并且在实验时还要进行大量的准备工作，这也需要花费大量的时间与精力。而通过Multisim仿真软件的应用，则不需要高校对这些实验设备及仪器进行采购与管理，更能缩短实验的准备周期，从而使学生能够根据自己的设计思路来进行相应的实验，并通过分析实验数据结果来验证设计思路是否正确，这种对实验的反思，能够使学生对电子知识有一个更加深入的理解与掌握，进而提高其学习效率，使电子技术课程取得更高的教学成效。
　　二、Multisim仿真软件在高校电子技术课程中的应用优势
　　 在高校电子技术课程教学中引入Multisim仿真软件来开展虚拟实验教学，主要具有以下优势：首先通过Multisim仿真软件，可使学生对电子技术的学习更感兴趣，进而能够进行主动的学习，在电子技术教学中，往往需要绘制许多的电路图，而这些电路图的绘制往往会花费很多时间，并且电子技术课程在内容上较为抽象、复杂，这无疑会给学生的学习带来很大难度。而利用Multisim仿真软件来进行虚拟实验教学，则可使实验教学变得更加形象化、趣味化，进而使学生在实验过程中能够充分发挥其想象力，既加深了学生对电子技术课程中专业知识的理解，也提高了学生的学习欲望。其次，在电子技术教学中，教师能够通过Multisim仿真软件来绘制所需的电路图，并通过仿真来对电子技术中的抽象知识进行表述，进而使抽象的概念能够进行直观、形象的展现，学生也能更好的学习这门课程。最后，Multisim仿真软件的应用为电子技术课程提供了一种新的辅助手段，大大扩展了电子技术课程的实验范围与空间，从而为这门课程在开展专题研究性教学、探究性教学等活动过程中提供了强大的技术支持。
　　三、Multsim仿真软件在高校电子技术课程中的应用研究
　　 通过将Multsim仿真软件应用于高校电子技术课程中，以此建立相应的虚拟实验平台，能够实现虚拟实验和实践操作的有效结合，进而使实验教学得到高效改进，这不仅能够使传统实验教学中仪器设备不足的问题得到有效解决，还能帮助学生对所学的电子技术知识进行强化与巩固，并掌握仪器设备的操作流程，掌握相应的实验技能，使其能够学会对实验数据进行测取与处理，进而大大增强了学生对实际问题的分析与解决能力，充分发挥了学生的创造性思维。 　　（一）抽象知识的仿真演示应用
　　 在电子技术课程实验教学中，可利用Multsim仿真软件来建立虚拟实验平台，并在虚拟实验平台中将要讲解的课程内容导入其中，能够使学生在学习过程中具备更加强烈的求知欲，并通过在虚拟实验平台中进行对应的仿真实验，从而使学生对课程理论知识进行更好的掌握。例如，在电子技术知识讲解时，往往涉及到电路图、电路模型等较为抽象的概念，而学生并不能较为形象的理解这些概念和知识。在虚拟实验平台中，可借助于Multsim仿真软件中所具有的强大3D元件库，能够对各种3D器件进行直观、形象的展示，从而使学生能够对这些器件进行熟悉和了解，并在实验过程中能够尝试将这些3D器件进行连接起来。在虚拟实验平台中，Multisim仿真软件可对真实的实验操作进行模拟，例如在对开关进行闭合时，会自动亮起指示灯，从而使学生在实验过程中更易于理解。在实验过程中，可利用各种抽象的符号来表示这些3D器件及组合，并将符号和实物进行对比，使原本较为抽象的电路模型能够进行形象的展示，进而使学生在应用虚拟实验平台时，能够轻松的从实物电路向抽象的电路模型进行过渡。
　　（二）电子定律及原理的仿真演示应用
　　 在电子技术课程中，往往要对各种电子定律及原理进行教学，一直以来，教师在教学过程中往往会先提出几个概念术语，然后对这些概念术语的含义进行解释，指出相关定律及原理中的内容，并向学生告知在实验过程中的相关注意事项以及对各种实验问题的处理流程等。在此过程中，学生只能被动式的接受教师的灌输，而教师则往往需要花费很大精力，课程教学所取得的成效也往往不尽如人意。而通过Multsim仿真软件的应用，利用虚拟实验平台来开展实验性探究，能够使学生在参与实验的过程中进行自主探究，并将探究性的知识进行总结，然后由教师提出结论，进而指出相关定律及原理。因为实验总结是由学生在实验过程中自主探究出来的，这使得学生能够更易理解，并巩固所学知识。由此可见，通过Multisim仿真软件的应用，以此建立虚拟实验平台，能够为学生创造一个直观、形象的实验环境，使学生能够在虚拟的实验环境下按照自己的想法来进行实验探究，并由此获得实验过程中所蕴含的电子规律，进而使学生能够更好的掌握电子技术中的相关定律及原理。
　　（三）电子实验教学应用
　　 在以Multisim仿真软件为主要技术的虚拟实验平台中，其包含有众多的虚拟仪器仪表，如电压表、瓦特表、电流表、示波器、伏安特性分析仪、函数信号发生器等，这些虚拟仪器仪表均与实际生活中所使用的仪器仪表相同，而且有着同样的操作方式，因此对这些虚拟仪器仪表进行使用基本和外界没有区别，这也使虚拟实验具有极高的真实感，学生在虚拟实验平台中能够借助于这些仪器仪表来獲取实验数据，从而在熟悉与掌握设备与仪器仪表操作方法、注意事项的同时，还能使学生在独立实验中，逐渐提高其实验操作水平。并且，在电子实验过程中，学生还可通过分析实验数据来了解实验过程中存在的不足，并按照自己的思路来对实验进行调整与改进，从而使学生的主观能动性得到充分发挥。下面以74LS163构成任意进制计数为例来来进一步说明。
　　 1.74LS163 的功能及同步置数法。集成4位二进制加法计数器74LS163的功能如表1所示。其中CLK为时钟脉冲输入端、ENP和ENT是两个计数器工作状态控制端、LOAD为同步置数控制端、CLR是清零端、DCBA 是并行数据输入端、QD QC QB QA是计数器状态输出端、RCO是进位信号输出端，74LS163芯片共有0000—111116个计数状态。
　　 采用74LS163的同步置数控制端，方法是让计数循环过程跳过SN以及后面的各个状态，直接从SN-1状态转到全0状态。用同步置数法将74LS163构成N进制计数器，使用计数和同步置数功能时，需要在状态SN-1时给计数器的同步置数端发一个有效脉冲，使计数器在下一个计数脉冲到来时转到全0状态而非SN状态。同时，按自然态序进行计数的N进制计数器的置数端必须设置为零。设计按自然态序进行计数的N进制计数器的步骤：
　　 （1）写出N进制状态SN-1的二进制代码。
　　 （2）求归零逻辑。写出SN-1状态的译码PN-1。因为利用同步归零法获得的N进制加法计数器中，由于SN-S2n-1不会出现，因此对应的最小项可作为约束项处理，利用这些约束项化简后，状态SN-1中代码为0的各个触发器的输出[Q]可被消去，所以译码时只要将SN-1状态中代码为1的各个触发器的输出Q相乘即可。
　　 （3）写出置数逻辑表达式，即LD=PN-1。
　　 （4）74LS163其他输入端的设置，ENP=ENT=1，CLR=1，DCBA=0000
　　 2.同步置数法Multisim仿真设计
　　 用Multisiml0版本构成9进制计数器为例，说明 Multisim 仿真设计。按自然态序计数的9进制计数器仿真设计（1）按自然态序计数的9进制计数器状态图同步置数法构成9进制计数器的状态图如图1所示，其中0000—1000共9个状态为正常的计数状态，作用9个时钟脉冲完成一个计数周期的循环。
　　（2）按自然态序计数的9制计数器设计步骤
　　 1）确定SN-1的二进制代码为：SN-1=S9-1=S8=1000
　　 2）确定SN-1状态的译码PN-1为：PN-1=P9-1=P8=QD
　　 3）写出置数逻辑表达式，即LD=[P]N-1=[Q]D
　　 4）构建仿真电路
　　 构建的仿真电路和仿真结果如图2所示。其中脉冲信号选择由双向开关构成的手动脉冲信号，以便更好地观察实验中每个时钟到来时计数器的状态变化。在Multisim仿真过程中，集成4位二进制计数器。74LS163的时钟脉冲触发方式CLK为下降沿触发，与实际器件不同（实际器件为CLK为上升沿触发），仿真实验时应对学生进行说明。将74LS163的输出端连接X1-X4四个探针，用于指示输出电平的高低，在连上数码管更加直观地显示了实验效果
　　 总而言之，电子技术的飞速发展，使现代化社会迫切需要一批高能力、高素质的电子类专业人才，而将Multsim仿真软件引入到高校电子技术课程教学，以此建立虚拟实验平台，能够更好的帮助学生进行各种综合性的实验学习，在提高学生实验操作能力的同时，还能加深学生对课程知识的理解与记忆，进而使学生在后续就业中能够更好的适应岗位技能要求。
　　基金项目：内蒙古自治区教育科学研究“十三五”规划课题（课题批准号：2018MGH046）
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