电子类仿真软件应用的教学之道

　　摘要：作为电子设计类课程的重要教具，仿真软件的应用对课堂教学设计产生着深远的影响，以“软”件“硬”学、“硬”件“软”教、“软硬”相兼的教学原型为例，阐述电子设计类课程授课中运用虚拟仿真软件有助于优化教学设计，实现课程教学互动的完整与统一。

　　关键词：仿真软件；教学设计；NIMultisim；Proteus；Quart-usII

　　0.引言

　　仿真软件是电子设计类课程的必备工具，也将有望变革为基础程序设计（如C语言）课程的入门教具。如何利用仿真软件模拟真实电路，解决系统的软硬件设计问题，早已被各高校的电子工程类专业所关注；如何结合情景项目的仿真设计，构建电子工程类课程的交互式教学模块，也开始在不同课程教学中尝试和酝酿。客观地评价仿真软件对教学的助力，积极挖掘仿真实验的教学潜力，正是我们关注的两个方面。我们以“软”件“硬”学、“硬”件“软”教、“软硬”相兼为教学原型，展开软件仿真与硬件教学、硬件仿真与软件教学之间互动关系的探讨，力争阐明仿真环境中如何实现“教”与“学”的完整统一。

　　1.“软”件“硬”学

　　仿真软件之所以在电子类专业教学中“备受青睐”，归功于其软硬件设计和系统测试的能力。目前基于程序控制的电子系统设计仍主要依赖于c语言，甚至汇编语言的编程基础，那么有计划地将c语言课程与硬件仿真平台进行有效结合，挖掘基于硬件的情景式教学项目，.即可“反其道而行之”地将语言类入门课程的教学设计架构于硬件仿真平台之上，为学生还原语言课程的真实应用情景，有助于瞄准其学以致用的教学定位。我们以Proteus仿真软件为例，来设计c语言课程情景教学模块。

　　如图1所示，简易的交通灯系统最适于c语言多分支教学模块的设计，如：

　　类似地，数码管的译码程序可以加速学生对数组的理解，反复调用延时程序可以帮助其领悟子程序的主要功能等。总之，在Proteus仿真系统中遴选各类情景项目完成c语言课程的交互式设计，易于推动学生更好地理解结构化语言的内涵，并掌握其编程技巧；同时，应用Proteus进行系统的在线调试，将更加直观地判定程序编写的逻辑问题，降低编程的抽象程度。

　　与此同时，应用硬件仿真平台学习语言程序设计也有值得关注的几个问题。

　　（1）架构于硬件仿真基础之上的程序设计无疑加剧了硬件零基础，或非工程设计专业学生学习语言类课程的难度。若将硬件仿真原理图和简易程序模板的源文件事先发布给学生，即可有效地将学习过程中硬件的设计要求降低至“零”。

　　（2）作为通识性程序设计课程，c语言教学应甄选难度较低、情景直观的项目作为硬件设计模型，旨在满足不同专业的程序设计要求，即情景教学设计应以非专业角度进行取舍和斟酌为宜。

　　（3）仿真平台的使用必须上手快，易于掌握，否则会将程序设计的教学过程引入“舍本逐末”之境。

　　综上所述，只有将仿真平台的硬件设计难度“归零”，才能符合各学科不同专业的入门级语言课程的设计要求，为学生在系统仿真中体会程序设计的内涵和魅力提供“无差别”的虚拟平台。

　　2.“硬”件“软”教

　　在各类电子线路课程教学中，课堂的情景教学一贯缺乏有效手段，尤其是概念抽象、硬件复杂的电子线路课程，学生的抵触情绪溢于言表。众多电子仿真软件应用中，NIMultisim软件以其精准测量电子线路而“得名”，在内容抽象、概念枯燥的电路课程中引入此类软件，无疑能够平复学生知难而退的学习情绪。作为课堂自主性的教具，在NIMultisim平台中搭建仿真电路、修改元件参数、添加仪器仪表、实施在线仿真会将课程演绎得有声有色，电路模拟得生动直观。

　　如图2所示，在NIMulfisim软件的编辑窗口中，放置高频信号源、示波器及各类分立元件即可快速搭建高频小信号检波系统的仿真电路。针对该电路复杂程度，仿真软件中还支持设计电路子图（如图中乘法器MCl496）用以制作芯片或秘制电路的“黑盒子”，使得课程教学中易于呈现真实的硬件系统，便于划分电路的功能模块。对高频电路的模拟及课堂的现场仿真，将培养学生对典型电路的学习兴趣。采用示波器、探针、万用表、频率计等仪器仪表进行高频电路的实时监测，也将大幅提高电路设计的成功率，鼓舞学习“士气”。综上所述，硬件电路的仿真实践能够为复杂电子线路的课程教学另辟蹊径。

　　毫无疑问，在“硬”件“软”教的仿真教学模式中同样存在一些不可忽视的问题。

　　（1）在仿真环境中频繁进行电路测试，容易导致对测试仪表的过度依赖，进而背离或忽视电子线路本身的设计原理和公式推导（如甲乙类、丙类功率放大电路的仿真）。那么在仿真教学中定量推演测试结果，准确解析电路设计原理及参数范围，即成为课程教学的重中之重。

　　（2）仿真软件中的资源更新较慢，而电子设计类芯片却层出不穷，这将引起学生对仿真平台的“信任危机”。摆脱此类“危机”需要查阅大量资料，寻找替代芯片或更新元件库，这就对仿真设计本身提出了更高的技术要求。

　　此外，仿真软件不可能解决电路构建、系统调试、故障排除过程中的所有问题。在电路课程的仿真教学进程中，应以原理分析和模块设计为基础，以硬件测试和系统仿真为进阶，才能达到此类课程教学设计的理想境界。

　　3.“软硬”相兼

　　在众多电子设计课程中，EDA程序设计是一门由逻辑控制推演代码编写，从程序编译转入硬件连接的具有代表性的软硬件结合课程。作为电子类专业课程，在EDA的仿真平台（QuartusII软件）中，课程的案例解析始于可编程芯片的选取，经过VHDL/VerilogHDL的程序编写、顶层文件的逻辑推理、系统功能的模拟仿真，学习者能够深刻体会到如何通过程序设计，实现系统硬件的逻辑功能；与之相应的，将源程序生成可执行文件，进行芯片引脚的锁定和文件的下载运行后，又能够通过硬件的逻辑表现验证程序设计的可靠性。由此，利用QuartusII软件的仿真平台，学习者可以轻松将Vl-IDL/VerilogHDL的程序开发与FGPA/CPLD的硬件设计紧密交织在一起，因而此类软件已经成为仿真教学和硬件开发完美结合的典范。

　　如图3所示，在解析简易8位计数器的案例教学中，首先编译VHDL的源程序生成图中的顶层文件，将顶层文件生成可执行文件直接下载到FPGA开发板或试验仪中即可给学生一个程序设计的直观感受。若开发板中展现出系统功能的任何偏差，又可以引领学生回到源程序文件中修改或测试，这样的互动教学无疑将软硬相兼的教学模式演绎得淋漓尽致。

　　4.结语

　　借助仿真平台开展电子类课程教学设计的成功案例还有很多，根据不同软件的特点因材施教是教学设计者的必备技能。以数字信号处理、信号与系统为代表的算法类课程授课，宜采用Matlab软件进行仿真；以计算机接口技术、单片机应用技术为主的程控类课程授课，应选取Proteus软件进行开发设计；而以模拟电路、数字电路、高频电路为设计目标的课程授课，应配备NIMultisim软件仿真测试更为可靠；同时关于新技术开发且纳入学科培养方案的课程，将有待于教学设计者继续努力，为推出新课程的仿真方案加油助力。