主页 > 技术文章 > 在电工（gōng）电（diàn）子教学（xué）中应用仿真（zhēn）技术的探索与实践 2024-10-11

在电工电（diàn）子教学中应用仿真技术的探索与实践（jiàn）

摘要：如何提高教（jiāo）学效率、效果和（hé）效益，是技校教（jiāo）学改（gǎi）革的重要课题。本文（wén）论述了仿真教学（xué）的优越性和可行性（xìng），探索在电工电子教学中应用计（jì）算机仿真技术调动（dòng）学生兴趣、运行（háng）电路分析、突破教学难点、开展（zhǎn）仿真实验实训和第二课堂活动的具体做法，走出了（le）一条多快（kuài）好省地培养技（jì）能型人才的路子。
        随着经济（jì）全（quán）球化的来临，企业对技工素质要求越来越高，在技校生源素质偏低的情况下，如何创（chuàng）新教学方法手段，提高教学（xué）效率和质量，多快好省地（dì）培养大批高素（sù）质人才，是一个需高度重视的重要课题。笔者在学校计算机电（diàn）气教学部（bù）和电子教研组（zǔ）领导的大力（lì）支持与指导下，在所教班级（jí）的（de）电工电子教学中进（jìn）行计算（suàn）机仿真教学实验研究，将仿真技术引入课堂教学（xué）和实验实训中，显著地提高了（le）教学（xué）效（xiào）率、效果，节约了教学（xué）成本，有效地提高了学生学习应用（yòng）新知识、新技术的能力，受到了学生（shēng）的普遍欢迎和好评。本文结合这一教改（gǎi）试验的实践，拟对仿真技术的（de）应用作一些探讨（tǎo）。
一（yī）、仿真教学的（de）优越性（xìng）及常用仿真软件的特点：
        仿真教学，是指应用软件和技术借助windows平台进（jìn）行辅助教学活动。随着（zhe）仿真（zhēn）技术的不断发展（zhǎn），仿（fǎng）真教学越来越受到人们（men）的青睐。与传（chuán）统教学方法（fǎ）相（xiàng）比，仿真教学具有以下明显的优越性：一是仿真软件中的虚拟仪器和元器件与实物非（fēi）常接近，易学易懂（dǒng），学生爱学爱用，兴（xìng）趣高，且不受场（chǎng）地限制；二是仿真演示和仿真实验实（shí）训直观、清晰、生动，使抽象的概念（niàn）原理直观化、形象化，有利于（yú）突破（pò）难点、加深记忆；三是仿真教学、仿真实（shí）验实训不必（bì）直接接触强电，不用进行元件安装（zhuāng）和焊锡（xī）操（cāo）作（zuò），从而避免溅锡伤人、线路短路触电等危险，达到安全的目的；四是采用仿真实验、实训，可随意调出软（ruǎn）件（jiàn）中元器件库虚拟仪器及各种元器件进行模拟设（shè）计、安装（zhuāng），利用虚拟仪器对设计（jì）好的电路进行调试及分析，不（bú）仅测试仪器的图形（xíng）与实物相似，而且测试结果与实际调试基本相似，如同置身于（yú）实（shí）验室（shì）中，既节（jiē）省（shěng）了购（gòu）买大量元器件和高档仪器的费用，又避免了仪器损坏和元件（jiàn）消耗。这种仿真实验可由教师结合教（jiāo）学内容通（tōng）过多媒体教学平台演（yǎn）示完成，也可由学生在课（kè）外参照有（yǒu）关习题完成。通过人机对话（huà）的方式，使每个人都能亲自动（dòng）手接（jiē）触电路，进行元件（jiàn）接线、参数设（shè）定，边连线，边（biān）测（cè）试，边修改，边分析，并与理论计算结果进行对比（bǐ），还可（kě）随时调整和修改元件参数，分析各元件参数（shù）对电路的作用与影响。通（tōng）过（guò）这样的实验来验证理论（lùn），加深了学生对理论（lùn）的认识，教学效果良好。
        近年来，随着计算机网络技术的普（pǔ）及（jí），仿真技术（shù）得到了迅速发展（zhǎn）。国际上一些著名公司先（xiān）后设计开发了一系列仿真软件，为仿真教学提供了强有力的技术支撑。例如，Multisim2001就是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的电路设计和仿真分析软件，它将电（diàn）路原理图（tú）、电路仿真及PLD设计三者合一，利用该软件可以（yǐ）建立模拟、数字及其混合电路，并进行仿真。其特点是：易学，实用性强，界面简洁，元件库齐全，仿（fǎng）真功能强大。又如加拿大Interactive Image Technologies公司设计推出的EWB（Electronics Workbench），不但是一个非常优秀的电子设计软（ruǎn）件（jiàn），也是（shì）一个非常优秀的电子技术模拟实验平台，它提供了示波器、函（hán）数发生器、万用（yòng）表、频谱仪和逻辑分析仪等虚拟电子（zǐ）设备，还提（tí）供（gòng）了14种分析工具、4种扫描分析、8000多个元器件模型，其选（xuǎn）用的仪器和元器件与实际情况非常相近。使用者可方便地进行原理的输入和仿真测（cè）试，观察电路的工作（zuò）状态、稳定性、灵敏度，还（hái）可以观察条件、参数变化时（shí）电路的变化情况，学生们只要能正确使用常规仪器，都能较快地掌握软件所提供的虚拟仪器（qì）的使（shǐ）用方法。EWB界（jiè）面直观，操作方便，为电工电子课程的实验、设计（jì）等教学环节提供了极大的便利。现在，许多技工学校（xiào）都建立了一定数量的（de）多媒体教室（shì），而且还在普通教室里安装了多媒体设备，从而为应用仿真软件辅助（zhù）教学创造了条件。因此，在（zài）教学中（zhōng）推广应用仿真技术是完全（quán）可行的。
二、应用仿真技术辅助教学的实践：
        电子技术、电子电路、脉冲与数字电路等（děng）电子类（lèi）课程概念抽象、直观性差、原（yuán）理（lǐ）难懂，加（jiā）上技校（xiào）学生普遍素质偏低，对理论（lùn）教（jiāo）学缺乏兴趣，故此传统教法的教学效（xiào）果（guǒ）比较差。针对技校生的实际，笔者将仿真技术应（yīng）用到上述课程的教学活动中，达到了事半功倍、省时高效的效果。
        1.应用仿真技术演（yǎn）示抽象内容，激发学生兴趣
        兴趣是最好的老师。在电子（zǐ）技术课程教学中，笔者常应用仿真技术巧妙精彩（cǎi）地（dì）导入要讲的内容，以激发学生的求知欲。例如在讲授半导体特性这一课题时，学（xué）生对电（diàn）子流和空穴流往往难以理解，为此，笔者应用仿真技术在（zài）屏幕上模拟出电子流和空穴流（liú）的（de）流动过（guò）程：在电场力作用下，电子连续不断地向（xiàng）电源装置的正极移动，形成了（le）一条电（diàn）子流；而空穴则向电源的负（fù）极移动，形成（chéng）了一条空穴流。它们形成的电（diàn）流方向一致，外电路的电（diàn）流等于电子电流和空穴电流之和。通过这样的（de）演示，同学们不但兴趣（qù）盎然（rán），而且较好地理解了半导体导电的这个重要（yào）特征（zhēng）。
        2.应用仿真技术演示电路特点，突破教学难点
        将抽象的原理、概念、公式（shì）推导直观化，有利于学生理（lǐ）解和记忆，从而突破教学难点。例如电子线路中有关整流滤波（bō）电路（lù）的教学，传统教法是由教师通过分析电（diàn）容的充（chōng）放电过程对输出直流电压的（de）影响，得出一个输出电压的（de）波形（xíng）图，然后对波形图进行（háng）分析，推导出求电容容量C的关系公（gōng）式，但学生往往感到公式抽象，实际中（zhōng）不会应用（yòng）数学公式。为了突破这一难题，笔者就利用Multisim2001软（ruǎn）件，模拟该电路，操（cāo）作步骤如下：①选择程序中的Multisim2001，进入原理图形设计环境的工作界面；②执行菜（cài）单（dān）OptionsPreferences设置（zhì）图纸大（dà）小（xiǎo）、颜色、字体、连线宽度、边框等；③在元件工具（jù）栏中找出所需的元件，把它们拖放在工作区域，放置好元（yuán）件后，再（zài）给元件连线；④先用手动连线，然后由Multisim2001自动完成连（lián）线；⑤对元件进行参数调整，先选定元件，然后双击鼠标左键，改变对话框中的各顼内容，达到改变元件参数的目的。经过上面（miàn）几个步骤最终可得到整流滤（lǜ）波电路图。整流滤波电路图搭建好后，就可以从仪表工具栏中调出示波器（qì）并合理摆放，然后（hòu）将示波器A通道接输入信号（hào）端，B通道接输出端。该示波器的界（jiè）面与实（shí）验（yàn）室（shì）里常用的示波器（qì）的面板很相似，其基（jī）本操作方法差（chà）不多。启动电路仿真（zhēn）开关，示波器屏幕（mù）上出现输入和输出两个波形。这时可以（yǐ）通过调节按钮不断改变电容的（de）容量C的大小，观察示波器波形变化，通（tōng）过波形图的（de）比（bǐ）较就可以直观地看出脉动系数与电容容量C之间的关系：当容（róng）量C增大到一定数值后，输出的直流电压基本是平滑（huá）的，继续增（zēng）大C，直流电压的变化不明显。这（zhè）就给我（wǒ）们选择滤波电容容量提供了实际依据。经过这样的仿真演示，同（tóng）学们就较好理解了这一问题，从（cóng）而有效地突破了电工（gōng）电子教（jiāo）学的难点。
        3.应用仿真技术将（jiāng）仿真实验引入课堂，有利于一体化教学
        以往进行理（lǐ）实一体化教学，教师需要带学生（shēng）到实验（yàn）室上课，或将实（shí）验仪器设备搬（bān）到普通课堂，十分不便。为达到省时高效，笔（bǐ）者将（jiāng）EWB的仿真实验（yàn）功能引入课堂，进行（háng）一体化教学，开展师生之间、生生之间（jiān）的互动交流（liú），教（jiāo）学效果显著。例如，在教集成运算放大器应用的“反相与（yǔ）求（qiú）和电路”课题时，就应用EWB仿真（zhēn）软件在大屏幕上打出图1所示的仿真实（shí）验接线
图1中IC为理想集成（chéng）运放，当Ui2不接时为反相比例运算电路，U0=-　Uil，通过改（gǎi）变（biàn）R1和R3的值，可以改变输出与（yǔ）输入电压的比例。当接上（shàng）Ui2时为反相比例相加运算：U0=-（　Ui1+　Ui2），通过改变输入电压Ui1、Ui2或（huò）改变（biàn）R1、R2和R3的值，在输出端可获得比（bǐ）例相加的输出电（diàn）压。笔者应用（yòng）EWB仿真，边演示（shì），边讲解，十分方（fāng）便地分别演示接上或不接上输入电压（yā）时输（shū）出端输出电压变化的情景，使学生直观地看到，当改变Ui1、Ui2或R1、R2和R3的值时可以获得不同（tóng）的输出电压，应用EWB将此电路稍作改动即可验证同相（xiàng）求和电路、微分电路和积分电路。在讲、练的同时，笔者还（hái）要求学生在（zài）课堂中即时操作或进行生生互（hù）动交流，通过这样的讲练结合，教学效率（lǜ）明显提高了。
        4.应用仿真技术（shù）开（kāi）展模（mó）拟（nǐ）实训（xùn），实行“虚实结合”
        过去，因受（shòu）场（chǎng）地、经费、器材等硬件条件限制，电工电子专业的实习课（kè）题和时间安（ān）排往（wǎng）往达不到规定（dìng）的要求，不利于学（xué）生实践（jiàn）能力的（de）提高。随着仿真技术的应用，在教（jiāo）学中，笔者选取（qǔ）有代（dài）表性的课（kè）题，开设了一定比例的模拟实（shí）训，实行实物实训与模拟实训相结合，发挥了模拟实训省（shěng）时、高效、安全、经（jīng）济的长处（chù），解决了过去实训课完全依赖实验仪器，且电子元器件损耗（hào）大和实验仪器损坏后维修不及（jí）时的问题。笔者的做法是，对基本测量技术、常用仪器仪表及（jí）元器件使用、基本电路设计等电子专业的基本功，原则上都进行实物实训；对（duì）用真实仪器难以显示或（huò）需（xū）消耗昂（áng）贵元器件的课题（tí），通常采用模拟实训（xùn）；对设计性、综合性的实训项目，通常安排学生先进行（háng）EWB模拟（nǐ）预习（xí），在理解（jiě）实验原理的基础上再安排实（shí）物实训。这样将虚实两种（zhǒng）实（shí）验结合起来，可以大大提高实训实验效率和质量，节约教（jiāo）学成本。
        5.应用仿真技术充实、丰富（fù）第二课（kè）堂活动，提高学生的（de）创（chuàng）新（xīn）能力
        搞好第二课题活动，有利（lì）于学生为适应就业市场竞争而（ér）提高就业能力。所以，笔者在课余积极指导电子专业（yè）学生开展（zhǎn）第二课堂活（huó）动，利用EWB进（jìn）行（háng）电子线路应用（yòng）、设（shè）计的模拟训练，有效地促进了研究性学习，提高了学生的电路设计水（shuǐ）平。例如，我结合脉冲（chōng）波形的产生与整形的教学，指导学生应用EWB软件进行单（dān）稳态触发器电器电路仿真实验，用信（xìn）号发生器产生触发（fā）信号作为输入信号，通过（guò）示波器观（guān）察输入、输出波形。在（zài）仿真实验（yàn）的基础上（shàng）进行电路设计，再（zài）应用EWB模拟验证，然后（hòu）动手制作实物，使学生的电（diàn）子制作水平显著提高。
三、实（shí）施效果及思考：
        在学（xué）校计算（suàn）机电气教学部和电子教研组领（lǐng）导（dǎo）的大力支持与指导下，本人在所教班级的《电子线路》、《电子CAD》等课程教学中进行仿真教学（xué）试验，均取得了良好的效（xiào）果，显著（zhe）提高（gāo）了教学（xué）效率，充分调动了（le）学生学习（xí）的积极性，提高了教学效率，节约了教学成本，受到了同学（xué）们的普遍欢迎和好评。通过班级（jí）的问卷调查表明，学生们普遍认（rèn）为，仿真教学在课堂气氛、吸引力、学习兴趣、理解知识、记忆程度、学习效果等各个方面都明显优于传统的（de）知识讲授，值得推广。这一项教改试验的成功实践表明，仿（fǎng）真（zhēn）技术作为一种（zhǒng）高（gāo）新技术，可以通过计算机及多种输入输出设备创（chuàng）建一种虚拟的情况，让（ràng）学生产生与现实生活一样（yàng）的（de）感觉，使学生的学习（xí）兴趣和学习积极性大大提高，变被动（dòng）学习为主动学习，提高学习效果。
        总而言之，仿真教学虽然不能（néng）完全取代真实的传（chuán）统电工电子教（jiāo）学（xué）和实训，但只要我们充分发挥仿真技术的特（tè）点，使仿真教学与传统知识讲（jiǎng）授有机（jī）结合、融为一体，就（jiù）一定能有效地减少（shǎo）教师无效的工作时间，提高工作效率，节约（yuē）教学资（zī）源，充分调动学生的学习积极（jí）性，变被动接受灌输为主动建构知识，从而提高学习效率和（hé）效果，实现多快好省地培养高素质技能（néng）人才的目（mù）标。

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