主頁 > 技術文章 > 在電工電子教學中應用仿真技術的探索與實踐 2024-10-11

在電工電子教學中應用仿真技術的探索與實踐

摘要：如何提高教學效率、效果和效益，是技校教學改革的重要課題。本文論述了仿真教學的優(yōu)越性和可行性，探索在電工電子教學中應用計算機仿真技術調動學生興趣、運行電路分析、突破教學難點、開展仿真實驗實訓和第二課堂活動的具體做法，走出了一條多快好省地培養(yǎng)技能型人才的路子。
        隨著經濟全球化的來臨，企業(yè)對技工素質要求越來越高，在技校生源素質偏低的情況下，如何創(chuàng)新教學方法手段，提高教學效率和質量，多快好省地培養(yǎng)大批高素質人才，是一個需高度重視的重要課題。筆者在學校計算機電氣教學部和電子教研組領導的大力支持與指導下，在所教班級的電工電子教學中進行計算機仿真教學實驗研究，將仿真技術引入課堂教學和實驗實訓中，顯著地提高了教學效率、效果，節(jié)約了教學成本，有效地提高了學生學習應用新知識、新技術的能力，受到了學生的普遍歡迎和好評。本文結合這一教改試驗的實踐，擬對仿真技術的應用作一些探討。
一、仿真教學的優(yōu)越性及常用仿真軟件的特點：
        仿真教學，是指應用軟件和技術借助windows平臺進行輔助教學活動。隨著仿真技術的不斷發(fā)展，仿真教學越來越受到人們的青睞。與傳統(tǒng)教學方法相比，仿真教學具有以下明顯的優(yōu)越性：一是仿真軟件中的虛擬儀器和元器件與實物非常接近，易學易懂，學生愛學愛用，興趣高，且不受場地限制；二是仿真演示和仿真實驗實訓直觀、清晰、生動，使抽象的概念原理直觀化、形象化，有利于突破難點、加深記憶；三是仿真教學、仿真實驗實訓不必直接接觸強電，不用進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，達到安全的目的；四是采用仿真實驗、實訓，可隨意調出軟件中元器件庫虛擬儀器及各種元器件進行模擬設計、安裝，利用虛擬儀器對設計好的電路進行調試及分析，不僅測試儀器的圖形與實物相似，而且測試結果與實際調試基本相似，如同置身于實驗室中，既節(jié)省了購買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。這種仿真實驗可由教師結合教學內容通過多媒體教學平臺演示完成，也可由學生在課外參照有關習題完成。通過人機對話的方式，使每個人都能親自動手接觸電路，進行元件接線、參數(shù)設定，邊連線，邊測試，邊修改，邊分析，并與理論計算結果進行對比，還可隨時調整和修改元件參數(shù)，分析各元件參數(shù)對電路的作用與影響。通過這樣的實驗來驗證理論，加深了學生對理論的認識，教學效果良好。
        近年來，隨著計算機網(wǎng)絡技術的普及，仿真技術得到了迅速發(fā)展。國際上一些著名公司先后設計開發(fā)了一系列仿真軟件，為仿真教學提供了強有力的技術支撐。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(shù)字及其混合電路，并進行仿真。其特點是：易學，實用性強，界面簡潔，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），不但是一個非常優(yōu)秀的電子設計軟件，也是一個非常優(yōu)秀的電子技術模擬實驗平臺，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備，還提供了14種分析工具、4種掃描分析、8000多個元器件模型，其選用的儀器和元器件與實際情況非常相近。使用者可方便地進行原理的輸入和仿真測試，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)變化時電路的變化情況，學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驗、設計等教學環(huán)節(jié)提供了極大的便利�，F(xiàn)在，許多技工學校都建立了一定數(shù)量的多媒體教室，而且還在普通教室里安裝了多媒體設備，從而為應用仿真軟件輔助教學創(chuàng)造了條件。因此，在教學中推廣應用仿真技術是完全可行的。
二、應用仿真技術輔助教學的實踐：
        電子技術、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，加上技校學生普遍素質偏低，對理論教學缺乏興趣，故此傳統(tǒng)教法的教學效果比較差。針對技校生的實際，筆者將仿真技術應用到上述課程的教學活動中，達到了事半功倍、省時高效的效果。
        1.應用仿真技術演示抽象內容，激發(fā)學生興趣
        興趣是最好的老師。在電子技術課程教學中，筆者常應用仿真技術巧妙精彩地導入要講的內容，以激發(fā)學生的求知欲。例如在講授半導體特性這一課題時，學生對電子流和空穴流往往難以理解，為此，筆者應用仿真技術在屏幕上模擬出電子流和空穴流的流動過程：在電場力作用下，電子連續(xù)不斷地向電源裝置的正極移動，形成了一條電子流；而空穴則向電源的負極移動，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，同學們不但興趣盎然，而且較好地理解了半導體導電的這個重要特征。
        2.應用仿真技術演示電路特點，突破教學難點
        將抽象的原理、概念、公式推導直觀化，有利于學生理解和記憶，從而突破教學難點。例如電子線路中有關整流濾波電路的教學，傳統(tǒng)教法是由教師通過分析電容的充放電過程對輸出直流電壓的影響，得出一個輸出電壓的波形圖，然后對波形圖進行分析，推導出求電容容量C的關系公式，但學生往往感到公式抽象，實際中不會應用數(shù)學公式。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，進入原理圖形設計環(huán)境的工作界面；②執(zhí)行菜單OptionsPreferences設置圖紙大小、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先用手動連線，然后由Multisim2001自動完成連線；⑤對元件進行參數(shù)調整，先選定元件，然后雙擊鼠標左鍵，改變對話框中的各頊內容，達到改變元件參數(shù)的目的。經過上面幾個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。啟動電路仿真開關，示波器屏幕上出現(xiàn)輸入和輸出兩個波形。這時可以通過調節(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系數(shù)與電容容量C之間的關系：當容量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際依據(jù)。經過這樣的仿真演示，同學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的難點。
        3.應用仿真技術將仿真實驗引入課堂，有利于一體化教學
        以往進行理實一體化教學，教師需要帶學生到實驗室上課，或將實驗儀器設備搬到普通課堂，十分不便。為達到省時高效，筆者將EWB的仿真實驗功能引入課堂，進行一體化教學，開展師生之間、生生之間的互動交流，教學效果顯著。例如，在教集成運算放大器應用的“反相與求和電路”課題時，就應用EWB仿真軟件在大屏幕上打出圖1所示的仿真實驗接線
圖1中IC為理想集成運放，當Ui2不接時為反相比例運算電路，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。當接上Ui2時為反相比例相加運算：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輸出端輸出電壓變化的情景，使學生直觀地看到，當改變Ui1、Ui2或R1、R2和R3的值時可以獲得不同的輸出電壓，應用EWB將此電路稍作改動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，筆者還要求學生在課堂中即時操作或進行生生互動交流，通過這樣的講練結合，教學效率明顯提高了。
        4.應用仿真技術開展模擬實訓，實行“虛實結合”
        過去，因受場地、經費、器材等硬件條件限制，電工電子專業(yè)的實習課題和時間安排往往達不到規(guī)定的要求，不利于學生實踐能力的提高。隨著仿真技術的應用，在教學中，筆者選取有代表性的課題，開設了一定比例的模擬實訓，實行實物實訓與模擬實訓相結合，發(fā)揮了模擬實訓省時、高效、安全、經濟的長處，解決了過去實訓課完全依賴實驗儀器，且電子元器件損耗大和實驗儀器損壞后維修不及時的問題。筆者的做法是，對基本測量技術、常用儀器儀表及元器件使用、基本電路設計等電子專業(yè)的基本功，原則上都進行實物實訓；對用真實儀器難以顯示或需消耗昂貴元器件的課題，通常采用模擬實訓；對設計性、綜合性的實訓項目，通常安排學生先進行EWB模擬預習，在理解實驗原理的基礎上再安排實物實訓。這樣將虛實兩種實驗結合起來，可以大大提高實訓實驗效率和質量，節(jié)約教學成本。
        5.應用仿真技術充實、豐富第二課堂活動，提高學生的創(chuàng)新能力
        搞好第二課題活動，有利于學生為適應就業(yè)市場競爭而提高就業(yè)能力。所以，筆者在課余積極指導電子專業(yè)學生開展第二課堂活動，利用EWB進行電子線路應用、設計的模擬訓練，有效地促進了研究性學習，提高了學生的電路設計水平。例如，我結合脈沖波形的產生與整形的教學，指導學生應用EWB軟件進行單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電器電路仿真實驗，用信號發(fā)生器產生觸發(fā)信號作為輸入信號，通過示波器觀察輸入、輸出波形。在仿真實驗的基礎上進行電路設計，再應用EWB模擬驗證，然后動手制作實物，使學生的電子制作水平顯著提高。
三、實施效果及思考：
        在學校計算機電氣教學部和電子教研組領導的大力支持與指導下，本人在所教班級的《電子線路》、《電子CAD》等課程教學中進行仿真教學試驗，均取得了良好的效果，顯著提高了教學效率，充分調動了學生學習的積極性，提高了教學效率，節(jié)約了教學成本，受到了同學們的普遍歡迎和好評。通過班級的問卷調查表明，學生們普遍認為，仿真教學在課堂氣氛、吸引力、學習興趣、理解知識、記憶程度、學習效果等各個方面都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的知識講授，值得推廣。這一項教改試驗的成功實踐表明，仿真技術作為一種高新技術，可以通過計算機及多種輸入輸出設備創(chuàng)建一種虛擬的情況，讓學生產生與現(xiàn)實生活一樣的感覺，使學生的學習興趣和學習積極性大大提高，變被動學習為主動學習，提高學習效果。
        總而言之，仿真教學雖然不能完全取代真實的傳統(tǒng)電工電子教學和實訓，但只要我們充分發(fā)揮仿真技術的特點，使仿真教學與傳統(tǒng)知識講授有機結合、融為一體，就一定能有效地減少教師無效的工作時間，提高工作效率，節(jié)約教學資源，充分調動學生的學習積極性，變被動接受灌輸為主動建構知識，從而提高學習效率和效果，實現(xiàn)多快好省地培養(yǎng)高素質技能人才的目標。

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