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)用計算機(jī)仿真技術(shù)調(diào)動學(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，是一個需高度重視的重要課題。筆者在學(xué)校計算機(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，在所教班級的電工電子教學(xué)中進(jìn)行計算機(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、新技術(shù)的能力，受到了學(xué)生的普遍歡迎和好評。本文結(jié)合這一教改試驗(yàn)的實(shí)踐，擬對仿真技術(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平臺進(jìn)行輔助教學(xué)活動。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，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，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、安裝，利用虛擬儀器對設(shè)計好的電路進(jìn)行調(diào)試及分析，不僅測試儀器的圖形與實(shí)物相似，而且測試結(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)對話的方式，使每個人都能親自動手接觸電路，進(jìn)行元件接線、參數(shù)設(shè)定，邊連線，邊測試，邊修改，邊分析，并與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比，還可隨時調(diào)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(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論，加深了學(xué)生對理論的認(rèn)識，教學(xué)效果良好。
        近年來，隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，仿真技術(shù)得到了迅速發(fā)展。國際上一些著名公司先后設(shè)計開發(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)計和仿真分析軟件，它將電路原理圖、電路仿真及PLD設(shè)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(jìn)行仿真。其特點(diǎn)是：易學(xué)，實(shí)用性強(qiáng)，界面簡潔，元件庫齊全，仿真功能強(qiáng)大。又如加拿大Interactive Image Technologies公司設(shè)計推出的EWB（Electronics Workbench），不但是一個非常優(yōu)秀的電子設(shè)計軟件，也是一個非常優(yōu)秀的電子技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)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(shè)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(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(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)計等教學(xué)環(huán)節(jié)提供了極大的便利。現(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)活動中，達(dá)到了事半功倍、省時高效的效果。
        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，學(xué)生對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(fù)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(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(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先用手動連線，然后由Multisim2001自動完成連線；⑤對元件進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，先選定元件，然后雙擊鼠標(biāo)左鍵，改變對話框中的各頊內(nèi)容，達(dá)到改變元件參數(shù)的目的。經(jīng)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(diào)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(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。啟動電路仿真開關(guān)，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(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，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的值時可以獲得不同的輸出電壓，應(yīng)用EWB將此電路稍作改動即可驗(yàn)證同相求和電路、微分電路和積分電路。在講、練的同時，筆者還要求學(xué)生在課堂中即時操作或進(jìn)行生生互動交流，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、高效、安全、經(jīng)濟(jì)的長處，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的問題。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(shè)計等電子專業(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)；對設(shè)計性、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，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力
        搞好第二課題活動，有利于學(xué)生為適應(yīng)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(dǎo)電子專業(yè)學(xué)生開展第二課堂活動，利用EWB進(jìn)行電子線路應(yīng)用、設(shè)計的模擬訓(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)，用信號發(fā)生器產(chǎn)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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行電路設(shè)計，再應(yīng)用EWB模擬驗(yàn)證，然后動手制作實(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。通過班級的問卷調(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、記憶程度、學(xué)習(xí)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(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，變被動學(xué)習(xí)為主動學(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間，提高工作效率，節(jié)約教學(xué)資源，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，變被動接受灌輸為主動建構(gòu)知識，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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