在電工電子教學(xué)中應用仿真技術(shù)的探索與實(shí)踐

摘　要：如何提高教學(xué)效率、效果和效益，是技校教學(xué)改革的重要課題。本文論述了仿真教學(xué)的優(yōu)越性和可行性，探索在電工電子教學(xué)中應用計算機仿真技術(shù)調動(dòng)學(xué)生興趣、運行電路分析、突破教學(xué)難點(diǎn)、開(kāi)展仿真實(shí)驗實(shí)訓和第二課堂活動(dòng)的具體做法，走出了一條多快好省地培養技能型人才的路子。
關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)　電工電子教學(xué)　EWB　應用
        隨著(zhù)經(jīng)濟全球化的來(lái)臨，企業(yè)對技工素質(zhì)要求越來(lái)越高，在技校生源素質(zhì)偏低的情況下，如何創(chuàng )新教學(xué)方法手段，提高教學(xué)效率和質(zhì)量，多快好省地培養大批高素質(zhì)人才，是一個(gè)需高度重視的重要課題。筆者在學(xué)校計算機電氣教學(xué)部和電子教研組領(lǐng)導的大力支持與指導下，在所教班級的電工電子教學(xué)中進(jìn)行計算機仿真教學(xué)實(shí)驗研究，將仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)和實(shí)驗實(shí)訓中，顯著(zhù)地提高了教學(xué)效率、效果，節約了教學(xué)成本，有效地提高了學(xué)生學(xué)習應用新知識、新技術(shù)的能力，受到了學(xué)生的普遍歡迎和好評。本文結合這一教改試驗的實(shí)踐，擬對仿真技術(shù)的應用作一些探討。
        一、仿真教學(xué)的優(yōu)越性及常用仿真軟件的特點(diǎn)
        仿真教學(xué)，是指應用軟件和技術(shù)借助windows平臺進(jìn)行輔助教學(xué)活動(dòng)。隨著(zhù)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真教學(xué)越來(lái)越受到人們的青睞。與傳統教學(xué)方法相比，仿真教學(xué)具有以下明顯的優(yōu)越性：一是仿真軟件中的虛擬儀器和元器件與實(shí)物非常接近，易學(xué)易懂，學(xué)生愛(ài)學(xué)愛(ài)用，興趣高，且不受場(chǎng)地限制；二是仿真演示和仿真實(shí)驗實(shí)訓直觀(guān)、清晰、生動(dòng)，使抽象的概念原理直觀(guān)化、形象化，有利于突破難點(diǎn)、加深記憶；三是仿真教學(xué)、仿真實(shí)驗實(shí)訓不必直接接觸強電，不用進(jìn)行元件安裝和焊錫操作，從而避免濺錫傷人、線(xiàn)路短路觸電等危險，達到安全的目的；四是采用仿真實(shí)驗、實(shí)訓，可隨意調出軟件中元器件庫虛擬儀器及各種元器件進(jìn)行模擬設計、安裝，利用虛擬儀器對設計好的電路進(jìn)行調試及分析，不僅測試儀器的圖形與實(shí)物相似，而且測試結果與實(shí)際調試基本相似，如同置身于實(shí)驗室中，既節省了購買(mǎi)大量元器件和高檔儀器的費用，又避免了儀器損壞和元件消耗。這種仿真實(shí)驗可由教師結合教學(xué)內容通過(guò)多媒體教學(xué)平臺演示完成，也可由學(xué)生在課外參照有關(guān)習題完成。通過(guò)人機對話(huà)的方式，使每個(gè)人都能親自動(dòng)手接觸電路，進(jìn)行元件接線(xiàn)、參數設定，邊連線(xiàn)，邊測試，邊修改，邊分析，并與理論計算結果進(jìn)行對比，還可隨時(shí)調整和修改元件參數，分析各元件參數對電路的作用與影響。通過(guò)這樣的實(shí)驗來(lái)驗證理論，加深了學(xué)生對理論的認識，教學(xué)效果良好。
        近年來(lái)，隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的普及，仿真技術(shù)得到了迅速發(fā)展。國際上一些著(zhù)名公司先后設計開(kāi)發(fā)了一系列仿真軟件，為仿真教學(xué)提供了強有力的技術(shù)支撐。例如，Multisim2001就是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的電路設計和仿真分析軟件，它將電路原理圖、電路仿真及PLD設計三者合一，利用該軟件可以建立模擬、數字及其混合電路，并進(jìn)行仿真。其特點(diǎn)是：易學(xué)，實(shí)用性強，界面簡(jiǎn)潔，元件庫齊全，仿真功能強大。又如加拿大Interactive Image Technologies公司設計推出的EWB（Electronics Workbench），不但是一個(gè)非常優(yōu)秀的電子設計軟件，也是一個(gè)非常優(yōu)秀的電子技術(shù)模擬實(shí)驗平臺，它提供了示波器、函數發(fā)生器、萬(wàn)用表、頻譜儀和邏輯分析儀等虛擬電子設備，還提供了14種分析工具、4種掃描分析、8000多個(gè)元器件模型，其選用的儀器和元器件與實(shí)際情況非常相近。使用者可方便地進(jìn)行原理的輸入和仿真測試，觀(guān)察電路的工作狀態(tài)、穩定性、靈敏度，還可以觀(guān)察條件、參數變化時(shí)電路的變化情況，學(xué)生們只要能正確使用常規儀器，都能較快地掌握軟件所提供的虛擬儀器的使用方法。EWB界面直觀(guān)，操作方便，為電類(lèi)課程的實(shí)驗、設計等教學(xué)環(huán)節提供了極大的便利�，F在，許多技工學(xué)校都建立了一定數量的多媒體教室，而且還在普通教室里安裝了多媒體設備，從而為應用仿真軟件輔助教學(xué)創(chuàng )造了條件。因此，在教學(xué)中推廣應用仿真技術(shù)是完全可行的。
        二、應用仿真技術(shù)輔助教學(xué)的實(shí)踐
        電子技術(shù)、電子電路、脈沖與數字電路等電子類(lèi)課程概念抽象、直觀(guān)性差、原理難懂，加上技校學(xué)生普遍素質(zhì)偏低，對理論教學(xué)缺乏興趣，故此傳統教法的教學(xué)效果比較差。針對技校生的實(shí)際，筆者將仿真技術(shù)應用到上述課程的教學(xué)活動(dòng)中，達到了事半功倍、省時(shí)高效的效果。
        1.應用仿真技術(shù)演示抽象內容，激發(fā)學(xué)生興趣
        興趣是最好的老師。在電子技術(shù)課程教學(xué)中，筆者常應用仿真技術(shù)巧妙精彩地導入要講的內容，以激發(fā)學(xué)生的求知欲。例如在講授半導體特性這一課題時(shí)，學(xué)生對電子流和空穴流往往難以理解，為此，筆者應用仿真技術(shù)在屏幕上模擬出電子流和空穴流的流動(dòng)過(guò)程：在電場(chǎng)力作用下，電子連續不斷地向電源裝置的正極移動(dòng)，形成了一條電子流；而空穴則向電源的負極移動(dòng)，形成了一條空穴流。它們形成的電流方向一致，外電路的電流等于電子電流和空穴電流之和。通過(guò)這樣的演示，同學(xué)們不但興趣盎然，而且較好地理解了半導體導電的這個(gè)重要特征。
        2.應用仿真技術(shù)演示電路特點(diǎn)，突破教學(xué)難點(diǎn)
        將抽象的原理、概念、公式推導直觀(guān)化，有利于學(xué)生理解和記憶，從而突破教學(xué)難點(diǎn)。例如電子線(xiàn)路中有關(guān)整流濾波電路的教學(xué)，傳統教法是由教師通過(guò)分析電容的充放電過(guò)程對輸出直流電壓的影響，得出一個(gè)輸出電壓的波形圖，然后對波形圖進(jìn)行分析，推導出求電容容量C的關(guān)系公式，但學(xué)生往往感到公式抽象，實(shí)際中不會(huì )應用數學(xué)公式。為了突破這一難題，筆者就利用Multisim2001軟件，模擬該電路，操作步驟如下：①選擇程序中的Multisim2001，進(jìn)入原理圖形設計環(huán)境的工作界面；②執行菜單Options\Preferences設置圖紙大小、顏色、字體、連線(xiàn)寬度、邊框等；③在元件工具欄中找出所需的元件，把它們拖放在工作區域，放置好元件后，再給元件連線(xiàn)；④先用手動(dòng)連線(xiàn)，然后由Multisim2001自動(dòng)完成連線(xiàn)；⑤對元件進(jìn)行參數調整，先選定元件，然后雙擊鼠標左鍵，改變對話(huà)框中的各頊內容，達到改變元件參數的目的。經(jīng)過(guò)上面幾個(gè)步驟最終可得到整流濾波電路圖。整流濾波電路圖搭建好后，就可以從儀表工具欄中調出示波器并合理擺放，然后將示波器A通道接輸入信號端，B通道接輸出端。該示波器的界面與實(shí)驗室里常用的示波器的面板很相似，其基本操作方法差不多。啟動(dòng)電路仿真開(kāi)關(guān)，示波器屏幕上出現輸入和輸出兩個(gè)波形。這時(shí)可以通過(guò)調節按鈕不斷改變電容的容量C的大小，觀(guān)察示波器波形變化，通過(guò)波形圖的比較就可以直觀(guān)地看出脈動(dòng)系數與電容容量C之間的關(guān)系：當容量C增大到一定數值后，輸出的直流電壓基本是平滑的，繼續增大C，直流電壓的變化不明顯。這就給我們選擇濾波電容容量提供了實(shí)際依據。經(jīng)過(guò)這樣的仿真演示，同學(xué)們就較好理解了這一問(wèn)題，從而有效地突破了教學(xué)的難點(diǎn)。
        3.應用仿真技術(shù)將仿真實(shí)驗引入課堂，有利于一體化教學(xué)
        以往進(jìn)行理實(shí)一體化教學(xué)，教師需要帶學(xué)生到實(shí)驗室上課，或將實(shí)驗儀器設備搬到普通課堂，十分不便。為達到省時(shí)高效，筆者將EWB的仿真實(shí)驗功能引入課堂，進(jìn)行一體化教學(xué)，開(kāi)展師生之間、生生之間的互動(dòng)交流，教學(xué)效果顯著(zhù)。例如，在教集成運算放大器應用的“反相與求和電路”課題時(shí)，就應用EWB仿真軟件在大屏幕上打出圖1所示的仿真實(shí)驗接線(xiàn)測試圖（見(jiàn)圖1）。 
         
        圖1、反相與求和電路EWB模擬實(shí)驗接線(xiàn)測試圖      圖1中IC為理想集成運放，當Ui2不接時(shí)為反相比例運算電路，U0=-　Uil，通過(guò)改變R1和R3的值，可以改變輸出與輸入電壓的比例。當接上Ui2時(shí)為反相比例相加運算：U0=-（　Ui1+　Ui2），通過(guò)改變輸入電壓Ui1、Ui2或改變R1、R2和R3的值，在輸出端可獲得比例相加的輸出電壓。筆者應用EWB仿真，邊演示，邊講解，十分方便地分別演示接上或不接上輸入電壓時(shí)輸出端輸出電壓變化的情景，使學(xué)生直觀(guān)地看到，當改變Ui1、Ui2或R1、R2和R3的值時(shí)可以獲得不同的輸出電壓，應用EWB將此電路稍作改動(dòng)即可驗證同相求和電路、微分電路和積分電路。在講、練的同時(shí)，筆者還要求學(xué)生在課堂中即時(shí)操作或進(jìn)行生生互動(dòng)交流，通過(guò)這樣的講練結合，教學(xué)效率明顯提高了。
        4.應用仿真技術(shù)開(kāi)展模擬實(shí)訓，實(shí)行“虛實(shí)結合”
        過(guò)去，因受場(chǎng)地、經(jīng)費、器材等硬件條件限制，電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)習課題和時(shí)間安排往往達不到規定的要求，不利于學(xué)生實(shí)踐能力的提高。隨著(zhù)仿真技術(shù)的應用，在教學(xué)中，筆者選取有代表性的課題，開(kāi)設了一定比例的模擬實(shí)訓，實(shí)行實(shí)物實(shí)訓與模擬實(shí)訓相結合，發(fā)揮了模擬實(shí)訓省時(shí)、高效、安全、經(jīng)濟的長(cháng)處，解決了過(guò)去實(shí)訓課完全依賴(lài)實(shí)驗儀器，且電子元器件損耗大和實(shí)驗儀器損壞后維修不及時(shí)的問(wèn)題。筆者的做法是，對基本測量技術(shù)、常用儀器儀表及元器件使用、基本電路設計等電子專(zhuān)業(yè)的基本功，原則上都進(jìn)行實(shí)物實(shí)訓；對用真實(shí)儀器難以顯示或需消耗昂貴元器件的課題，通常采用模擬實(shí)訓；對設計性、綜合性的實(shí)訓項目，通常安排學(xué)生先進(jìn)行EWB模擬預習，在理解實(shí)驗原理的基礎上再安排實(shí)物實(shí)訓。這樣將虛實(shí)兩種實(shí)驗結合起來(lái)，可以大大提高實(shí)訓實(shí)驗效率和質(zhì)量，節約教學(xué)成本。
        5.應用仿真技術(shù)充實(shí)、豐富第二課堂活動(dòng)，提高學(xué)生的創(chuàng )新能力
        搞好第二課題活動(dòng)，有利于學(xué)生為適應就業(yè)市場(chǎng)競爭而提高就業(yè)能力。所以，筆者在課余積極指導電子專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)展第二課堂活動(dòng)，利用EWB進(jìn)行電子線(xiàn)路應用、設計的模擬訓練，有效地促進(jìn)了研究性學(xué)習，提高了學(xué)生的電路設計水平。例如，我結合脈沖波形的產(chǎn)生與整形的教學(xué)，指導學(xué)生應用EWB軟件進(jìn)行單穩態(tài)觸發(fā)器電器電路仿真實(shí)驗，用信號發(fā)生器產(chǎn)生觸發(fā)信號作為輸入信號，通過(guò)示波器觀(guān)察輸入、輸出波形。在仿真實(shí)驗的基礎上進(jìn)行電路設計，再應用EWB模擬驗證，然后動(dòng)手制作實(shí)物，使學(xué)生的電子制作水平顯著(zhù)提高。
        三、實(shí)施效果及思考
        在學(xué)校計算機電氣教學(xué)部和電子教研組領(lǐng)導的大力支持與指導下，本人在所教班級的《電子線(xiàn)路》、《電子CAD》等課程教學(xué)中進(jìn)行仿真教學(xué)試驗，均取得了良好的效果，顯著(zhù)提高了教學(xué)效率，充分調動(dòng)了學(xué)生學(xué)習的積極性，提高了教學(xué)效率，節約了教學(xué)成本，受到了同學(xué)們的普遍歡迎和好評。通過(guò)班級的問(wèn)卷調查表明，學(xué)生們普遍認為，仿真教學(xué)在課堂氣氛、吸引力、學(xué)習興趣、理解知識、記憶程度、學(xué)習效果等各個(gè)方面都明顯優(yōu)于傳統的知識講授，值得推廣。這一項教改試驗的成功實(shí)踐表明，仿真技術(shù)作為一種高新技術(shù)，可以通過(guò)計算機及多種輸入輸出設備創(chuàng )建一種虛擬的情況，讓學(xué)生產(chǎn)生與現實(shí)生活一樣的感覺(jué)，使學(xué)生的學(xué)習興趣和學(xué)習積極性大大提高，變被動(dòng)學(xué)習為主動(dòng)學(xué)習，提高學(xué)習效果。
        總而言之，仿真教學(xué)雖然不能完全取代真實(shí)的傳統教學(xué)和實(shí)訓，但只要我們充分發(fā)揮仿真技術(shù)的特點(diǎn)，使仿真教學(xué)與傳統知識講授有機結合、融為一體，就一定能有效地減少教師無(wú)效的工作時(shí)間，提高工作效率，節約教學(xué)資源，充分調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習積極性，變被動(dòng)接受灌輸為主動(dòng)建構知識，從而提高學(xué)習效率和效果，實(shí)現多快好省地培養高素質(zhì)技能人才的目標。
參考文獻
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