主页 > 技术文章 > 在电工电子教学中应用仿真技术的探索与实践 2024-10-11

在电工电子教学中应用仿真技术的探索与实践

摘要：如何提高教学效率、效果和效益，是技校教学改革的重要课题。本文论述了仿真教学的优越性和可行性，探索在电工电子教学中应用计算机仿真技术调动学生兴趣、运行电路分析、突破教学难点、开展仿真实验实训和第二课堂活动的具体做法，走出了一条多快好省地培养技能型人才的路子。
        随着经济全球化的来临，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，如何创新教学方法手段，提高教学效率和质量，多快好省地培养大批高素质人才，是一个需高度重视的重要课题。笔者在学校计算机电气教学部和电子教研组领导的大力支持与指导下，在所教班级的电工电子教学中进行计算机仿真教学实验研究，将仿真技术引入课堂教学和实验实训中，显著地提高了教学效率、效果，节约了教学成本，有效地提高了学生学习应用新知识、新技术的能力，受到了学生的普遍欢迎和好评。本文结合这一教改试验的实践，拟对仿真技术的应用作一些探讨。
一、仿真教学的优越性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平台进行辅助教学活动。随着仿真技术的不断发展，仿真教学越来越受到人们的青睐。与传统教学方法相比，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常接近，易学易懂，学生爱学爱用，兴趣高，且不受场地限制；二是仿真演示和仿真实验实训直观、清晰、生动，使抽象的概念原理直观化、形象化，有利于突破难点、加深记忆；三是仿真教学、仿真实验实训不必直接接触强电，不用进行元件安装和焊锡操作，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，可随意调出软件中元器件库虚拟仪器及各种元器件进行模拟设计、安装，利用虚拟仪器对设计好的电路进行调试及分析，不仅测试仪器的图形与实物相似，而且测试结果与实际调试基本相似，如同置身于实验室中，既节省了购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消耗。这种仿真实验可由教师结合教学内容通过多媒体教学平台演示完成，也可由学生在课外参照有关习题完成。通过人机对话的方式，使每个人都能亲自动手接触电路，进行元件接线、参数设定，边连线，边测试，边修改，边分析，并与理论计算结果进行对比，还可随时调整和修改元件参数，分析各元件参数对电路的作用与影响。通过这样的实验来验证理论，加深了学生对理论的认识，教学效果良好。
        近年来，随着计算机网络技术的普及，仿真技术得到了迅速发展。国际上一些著名公司先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，它将电路原理图、电路仿真及PLD设计三者合一，利用该软件可以建立模拟、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件，也是一个非常优秀的电子技术模拟实验平台，它提供了示波器、函数发生器、万用表、频谱仪和逻辑分析仪等虚拟电子设备，还提供了14种分析工具、4种扫描分析、8000多个元器件模型，其选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试，观察电路的工作状态、稳定性、灵敏度，还可以观察条件、参数变化时电路的变化情况，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的使用方法。EWB界面直观，操作方便，为电工电子课程的实验、设计等教学环节提供了极大的便利。现在，许多技工学校都建立了一定数量的多媒体教室，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教学创造了条件。因此，在教学中推广应用仿真技术是完全可行的。
二、应用仿真技术辅助教学的实践：
        电子技术、电子电路、脉冲与数字电路等电子类课程概念抽象、直观性差、原理难懂，加上技校学生普遍素质偏低，对理论教学缺乏兴趣，故此传统教法的教学效果比较差。针对技校生的实际，笔者将仿真技术应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.应用仿真技术演示抽象内容，激发学生兴趣
        兴趣是最好的老师。在电子技术课程教学中，笔者常应用仿真技术巧妙精彩地导入要讲的内容，以激发学生的求知欲。例如在讲授半导体特性这一课题时，学生对电子流和空穴流往往难以理解，为此，笔者应用仿真技术在屏幕上模拟出电子流和空穴流的流动过程：在电场力作用下，电子连续不断地向电源装置的正极移动，形成了一条电子流；而空穴则向电源的负极移动，形成了一条空穴流。它们形成的电流方向一致，外电路的电流等于电子电流和空穴电流之和。通过这样的演示，同学们不但兴趣盎然，而且较好地理解了半导体导电的这个重要特征。
        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、公式推导直观化，有利于学生理解和记忆，从而突破教学难点。例如电子线路中有关整流滤波电路的教学，传统教法是由教师通过分析电容的充放电过程对输出直流电压的影响，得出一个输出电压的波形图，然后对波形图进行分析，推导出求电容容量C的关系公式，但学生往往感到公式抽象，实际中不会应用数学公式。为了突破这一难题，笔者就利用Multisim2001软件，模拟该电路，操作步骤如下：①选择程序中的Multisim2001，进入原理图形设计环境的工作界面；②执行菜单OptionsPreferences设置图纸大小、颜色、字体、连线宽度、边框等；③在元件工具栏中找出所需的元件，把它们拖放在工作区域，放置好元件后，再给元件连线；④先用手动连线，然后由Multisim2001自动完成连线；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。经过上面几个步骤最终可得到整流滤波电路图。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并合理摆放，然后将示波器A通道接输入信号端，B通道接输出端。该示波器的界面与实验室里常用的示波器的面板很相似，其基本操作方法差不多。启动电路仿真开关，示波器屏幕上出现输入和输出两个波形。这时可以通过调节按钮不断改变电容的容量C的大小，观察示波器波形变化，通过波形图的比较就可以直观地看出脉动系数与电容容量C之间的关系：当容量C增大到一定数值后，输出的直流电压基本是平滑的，继续增大C，直流电压的变化不明显。这就给我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，同学们就较好理解了这一问题，从而有效地突破了电工电子教学的难点。
        3.应用仿真技术将仿真实验引入课堂，有利于一体化教学
        以往进行理实一体化教学，教师需要带学生到实验室上课，或将实验仪器设备搬到普通课堂，十分不便。为达到省时高效，笔者将EWB的仿真实验功能引入课堂，进行一体化教学，开展师生之间、生生之间的互动交流，教学效果显著。例如，在教集成运算放大器应用的“反相与求和电路”课题时，就应用EWB仿真软件在大屏幕上打出图1所示的仿真实验接线
图1中IC为理想集成运放，当Ui2不接时为反相比例运算电路，U0=-　Uil，通过改变R1和R3的值，可以改变输出与输入电压的比例。当接上Ui2时为反相比例相加运算：U0=-（　Ui1+　Ui2），通过改变输入电压Ui1、Ui2或改变R1、R2和R3的值，在输出端可获得比例相加的输出电压。笔者应用EWB仿真，边演示，边讲解，十分方便地分别演示接上或不接上输入电压时输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的输出电压，应用EWB将此电路稍作改动即可验证同相求和电路、微分电路和积分电路。在讲、练的同时，笔者还要求学生在课堂中即时操作或进行生生互动交流，通过这样的讲练结合，教学效率明显提高了。
        4.应用仿真技术开展模拟实训，实行“虚实结合”
        过去，因受场地、经费、器材等硬件条件限制，电工电子专业的实习课题和时间安排往往达不到规定的要求，不利于学生实践能力的提高。随着仿真技术的应用，在教学中，笔者选取有代表性的课题，开设了一定比例的模拟实训，实行实物实训与模拟实训相结合，发挥了模拟实训省时、高效、安全、经济的长处，解决了过去实训课完全依赖实验仪器，且电子元器件损耗大和实验仪器损坏后维修不及时的问题。笔者的做法是，对基本测量技术、常用仪器仪表及元器件使用、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；对用真实仪器难以显示或需消耗昂贵元器件的课题，通常采用模拟实训；对设计性、综合性的实训项目，通常安排学生先进行EWB模拟预习，在理解实验原理的基础上再安排实物实训。这样将虚实两种实验结合起来，可以大大提高实训实验效率和质量，节约教学成本。
        5.应用仿真技术充实、丰富第二课堂活动，提高学生的创新能力
        搞好第二课题活动，有利于学生为适应就业市场竞争而提高就业能力。所以，笔者在课余积极指导电子专业学生开展第二课堂活动，利用EWB进行电子线路应用、设计的模拟训练，有效地促进了研究性学习，提高了学生的电路设计水平。例如，我结合脉冲波形的产生与整形的教学，指导学生应用EWB软件进行单稳态触发器电器电路仿真实验，用信号发生器产生触发信号作为输入信号，通过示波器观察输入、输出波形。在仿真实验的基础上进行电路设计，再应用EWB模拟验证，然后动手制作实物，使学生的电子制作水平显著提高。
三、实施效果及思考：
        在学校计算机电气教学部和电子教研组领导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试验，均取得了良好的效果，显著提高了教学效率，充分调动了学生学习的积极性，提高了教学效率，节约了教学成本，受到了同学们的普遍欢迎和好评。通过班级的问卷调查表明，学生们普遍认为，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知识讲授，值得推广。这一项教改试验的成功实践表明，仿真技术作为一种高新技术，可以通过计算机及多种输入输出设备创建一种虚拟的情况，让学生产生与现实生活一样的感觉，使学生的学习兴趣和学习积极性大大提高，变被动学习为主动学习，提高学习效果。
        总而言之，仿真教学虽然不能完全取代真实的传统电工电子教学和实训，但只要我们充分发挥仿真技术的特点，使仿真教学与传统知识讲授有机结合、融为一体，就一定能有效地减少教师无效的工作时间，提高工作效率，节约教学资源，充分调动学生的学习积极性，变被动接受灌输为主动建构知识，从而提高学习效率和效果，实现多快好省地培养高素质技能人才的目标。

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