主頁 > 技術(shù)文章 > 在電工電子教學(xué)中應(yīng)用仿真技術(shù)的探索與實(shí)踐 2024-10-11

在電工電子教學(xué)中應(yīng)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(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣、運(yùn)行電路分析、突破教學(xué)難點(diǎn)、開展仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)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(yǎng)技能型人才的路子。
        隨著經(jīng)濟(jì)全球化的來臨，企業(yè)對(duì)技工素質(zhì)要求越來越高，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(yǎng)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(jì)算機(jī)電氣教學(xué)部和電子教研組領(lǐng)導(dǎo)的大力支持與指導(dǎo)下，在所教班級(jí)的電工電子教學(xué)中進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，將仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中，顯著地提高了教學(xué)效率、效果，節(jié)約了教學(xué)成本，有效地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用新知識(shí)、新技術(shù)的能力，受到了學(xué)生的普遍歡迎和好評(píng)。本文結(jié)合這一教改試驗(yàn)的實(shí)踐，擬對(duì)仿真技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用軟件和技術(shù)借助windows平臺(tái)進(jìn)行輔助教學(xué)活動(dòng)。隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真教學(xué)越來越受到人們的青睞。與傳統(tǒng)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)生愛學(xué)愛用，興趣高，且不受場(chǎng)地限制；二是仿真演示和仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)直觀、清晰、生動(dòng)，使抽象的概念原理直觀化、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(yàn)實(shí)訓(xùn)不必直接接觸強(qiáng)電，不用進(jìn)行元件安裝和焊錫操作，從而避免濺錫傷人、線路短路觸電等危險(xiǎn)，達(dá)到安全的目的；四是采用仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)，可隨意調(diào)出軟件中元器件庫虛擬儀器及各種元器件進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)、安裝，利用虛擬儀器對(duì)設(shè)計(jì)好的電路進(jìn)行調(diào)試及分析，不僅測(cè)試儀器的圖形與實(shí)物相似，而且測(cè)試結(jié)果與實(shí)際調(diào)試基本相似，如同置身于實(shí)驗(yàn)室中，既節(jié)省了購(gòu)買大量元器件和高檔儀器的費(fèi)用，又避免了儀器損壞和元件消耗。這種仿真實(shí)驗(yàn)可由教師結(jié)合教學(xué)內(nèi)容通過多媒體教學(xué)平臺(tái)演示完成，也可由學(xué)生在課外參照有關(guān)習(xí)題完成。通過人機(jī)對(duì)話的方式，使每個(gè)人都能親自動(dòng)手接觸電路，進(jìn)行元件接線、參數(shù)設(shè)定，邊連線，邊測(cè)試，邊修改，邊分析，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，還可隨時(shí)調(diào)整和修改元件參數(shù)，分析各元件參數(shù)對(duì)電路的作用與影響。通過這樣的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論，加深了學(xué)生對(duì)理論的認(rèn)識(shí)，教學(xué)效果良好。
        近年來，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，仿真技術(shù)得到了迅速發(fā)展。國(guó)際上一些著名公司先后設(shè)計(jì)開發(fā)了一系列仿真軟件，為仿真教學(xué)提供了強(qiáng)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(shè)計(jì)和仿真分析軟件，它將電路原理圖、電路仿真及PLD設(shè)計(jì)三者合一，利用該軟件可以建立模擬、數(shù)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(qiáng)，界面簡(jiǎn)潔，元件庫齊全，仿真功能強(qiáng)大。又如加拿大Interactive Image Technologies公司設(shè)計(jì)推出的EWB（Electronics Workbench），不但是一個(gè)非常優(yōu)秀的電子設(shè)計(jì)軟件，也是一個(gè)非常優(yōu)秀的電子技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它提供了示波器、函數(shù)發(fā)生器、萬用表、頻譜儀和邏輯分析儀等虛擬電子設(shè)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(cè)試，觀察電路的工作狀態(tài)、穩(wěn)定性、靈敏度，還可以觀察條件、參數(shù)變化時(shí)電路的變化情況，學(xué)生們只要能正確使用常規(guī)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，操作方便，為電工電子課程的實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)提供了極大的便利�，F(xiàn)在，許多技工學(xué)校都建立了一定數(shù)量的多媒體教室，而且還在普通教室里安裝了多媒體設(shè)備，從而為應(yīng)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(yīng)用仿真技術(shù)是完全可行的。
二、應(yīng)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(shù)字電路等電子類課程概念抽象、直觀性差、原理難懂，加上技校學(xué)生普遍素質(zhì)偏低，對(duì)理論教學(xué)缺乏興趣，故此傳統(tǒng)教法的教學(xué)效果比較差。針對(duì)技校生的實(shí)際，筆者將仿真技術(shù)應(yīng)用到上述課程的教學(xué)活動(dòng)中，達(dá)到了事半功倍、省時(shí)高效的效果。
        1.應(yīng)用仿真技術(shù)演示抽象內(nèi)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(yīng)用仿真技術(shù)巧妙精彩地導(dǎo)入要講的內(nèi)容，以激發(fā)學(xué)生的求知欲。例如在講授半導(dǎo)體特性這一課題時(shí)，學(xué)生對(duì)電子流和空穴流往往難以理解，為此，筆者應(yīng)用仿真技術(shù)在屏幕上模擬出電子流和空穴流的流動(dòng)過程：在電場(chǎng)力作用下，電子連續(xù)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(fù)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(dǎo)體導(dǎo)電的這個(gè)重要特征。
        2.應(yīng)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(dǎo)直觀化，有利于學(xué)生理解和記憶，從而突破教學(xué)難點(diǎn)。例如電子線路中有關(guān)整流濾波電路的教學(xué)，傳統(tǒng)教法是由教師通過分析電容的充放電過程對(duì)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(duì)波形圖進(jìn)行分析，推導(dǎo)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(yīng)用數(shù)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(shè)計(jì)環(huán)境的工作界面；②執(zhí)行菜單OptionsPreferences設(shè)置圖紙大小、顏色、字體、連線寬度、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(qū)域，放置好元件后，再給元件連線；④先用手動(dòng)連線，然后由Multisim2001自動(dòng)完成連線；⑤對(duì)元件進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，先選定元件，然后雙擊鼠標(biāo)左鍵，改變對(duì)話框中的各頊內(nèi)容，達(dá)到改變?cè)䥇?shù)的目的。經(jīng)過上面幾個(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(diào)出示波器并合理擺放，然后將示波器A通道接輸入信號(hào)端，B通道接輸出端。該示波器的界面與實(shí)驗(yàn)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)電路仿真開關(guān)，示波器屏幕上出現(xiàn)輸入和輸出兩個(gè)波形。這時(shí)可以通過調(diào)節(jié)按鈕不斷改變電容的容量C的大小，觀察示波器波形變化，通過波形圖的比較就可以直觀地看出脈動(dòng)系數(shù)與電容容量C之間的關(guān)系：當(dāng)容量C增大到一定數(shù)值后，輸出的直流電壓基本是平滑的，繼續(xù)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(jù)。經(jīng)過這樣的仿真演示，同學(xué)們就較好理解了這一問題，從而有效地突破了電工電子教學(xué)的難點(diǎn)。
        3.應(yīng)用仿真技術(shù)將仿真實(shí)驗(yàn)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(yàn)室上課，或?qū)?shí)驗(yàn)儀器設(shè)備搬到普通課堂，十分不便。為達(dá)到省時(shí)高效，筆者將EWB的仿真實(shí)驗(yàn)功能引入課堂，進(jìn)行一體化教學(xué)，開展師生之間、生生之間的互動(dòng)交流，教學(xué)效果顯著。例如，在教集成運(yùn)算放大器應(yīng)用的“反相與求和電路”課題時(shí)，就應(yīng)用EWB仿真軟件在大屏幕上打出圖1所示的仿真實(shí)驗(yàn)接線
圖1中IC為理想集成運(yùn)放，當(dāng)Ui2不接時(shí)為反相比例運(yùn)算電路，U0=-　Uil，通過改變R1和R3的值，可以改變輸出與輸入電壓的比例。當(dāng)接上Ui2時(shí)為反相比例相加運(yùn)算：U0=-（　Ui1+　Ui2），通過改變輸入電壓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(yīng)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)生直觀地看到，當(dāng)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(yīng)用EWB將此電路稍作改動(dòng)即可驗(yàn)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，通過這樣的講練結(jié)合，教學(xué)效率明顯提高了。
        4.應(yīng)用仿真技術(shù)開展模擬實(shí)訓(xùn)，實(shí)行“虛實(shí)結(jié)合”
        過去，因受場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)、器材等硬件條件限制，電工電子專業(yè)的實(shí)習(xí)課題和時(shí)間安排往往達(dá)不到規(guī)定的要求，不利于學(xué)生實(shí)踐能力的提高。隨著仿真技術(shù)的應(yīng)用，在教學(xué)中，筆者選取有代表性的課題，開設(shè)了一定比例的模擬實(shí)訓(xùn)，實(shí)行實(shí)物實(shí)訓(xùn)與模擬實(shí)訓(xùn)相結(jié)合，發(fā)揮了模擬實(shí)訓(xùn)省時(shí)、高效、安全、經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)處，解決了過去實(shí)訓(xùn)課完全依賴實(shí)驗(yàn)儀器，且電子元器件損耗大和實(shí)驗(yàn)儀器損壞后維修不及時(shí)的問題。筆者的做法是，對(duì)基本測(cè)量技術(shù)、常用儀器儀表及元器件使用、基本電路設(shè)計(jì)等電子專業(yè)的基本功，原則上都進(jìn)行實(shí)物實(shí)訓(xùn)；對(duì)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(xùn)；對(duì)設(shè)計(jì)性、綜合性的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，通常安排學(xué)生先進(jìn)行EWB模擬預(yù)習(xí)，在理解實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上再安排實(shí)物實(shí)訓(xùn)。這樣將虛實(shí)兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，可以大大提高實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)效率和質(zhì)量，節(jié)約教學(xué)成本。
        5.應(yīng)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(yīng)就業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)而提高就業(yè)能力。所以，筆者在課余積極指導(dǎo)電子專業(yè)學(xué)生開展第二課堂活動(dòng)，利用EWB進(jìn)行電子線路應(yīng)用、設(shè)計(jì)的模擬訓(xùn)練，有效地促進(jìn)了研究性學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的電路設(shè)計(jì)水平。例如，我結(jié)合脈沖波形的產(chǎn)生與整形的教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用EWB軟件進(jìn)行單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電器電路仿真實(shí)驗(yàn)，用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)作為輸入信號(hào)，通過示波器觀察輸入、輸出波形。在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，再應(yīng)用EWB模擬驗(yàn)證，然后動(dòng)手制作實(shí)物，使學(xué)生的電子制作水平顯著提高。
三、實(shí)施效果及思考：
        在學(xué)校計(jì)算機(jī)電氣教學(xué)部和電子教研組領(lǐng)導(dǎo)的大力支持與指導(dǎo)下，本人在所教班級(jí)的《電子線路》、《電子CAD》等課程教學(xué)中進(jìn)行仿真教學(xué)試驗(yàn)，均取得了良好的效果，顯著提高了教學(xué)效率，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了教學(xué)效率，節(jié)約了教學(xué)成本，受到了同學(xué)們的普遍歡迎和好評(píng)。通過班級(jí)的問卷調(diào)查表明，學(xué)生們普遍認(rèn)為，仿真教學(xué)在課堂氣氛、吸引力、學(xué)習(xí)興趣、理解知識(shí)、記憶程度、學(xué)習(xí)效果等各個(gè)方面都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的知識(shí)講授，值得推廣。這一項(xiàng)教改試驗(yàn)的成功實(shí)踐表明，仿真技術(shù)作為一種高新技術(shù)，可以通過計(jì)算機(jī)及多種輸入輸出設(shè)備創(chuàng)建一種虛擬的情況，讓學(xué)生產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)生活一樣的感覺，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性大大提高，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)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(tǒng)電工電子教學(xué)和實(shí)訓(xùn)，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(tǒng)知識(shí)講授有機(jī)結(jié)合、融為一體，就一定能有效地減少教師無效的工作時(shí)間，提高工作效率，節(jié)約教學(xué)資源，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，變被動(dòng)接受灌輸為主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)，從而提高學(xué)習(xí)效率和效果，實(shí)現(xiàn)多快好省地培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才的目標(biāo)。

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