電路仿真方法在實驗教學中的應用

摘要：以電類教學中常用的繪圖仿真軟件PROTEL為例，結合在實驗教學的實踐特色，介紹一種在實驗中應用計算機仿真進行數(shù)據(jù)校驗及分析的教學方法。

關鍵詞：PROTEL；實驗教學；電路

在電類教學中，通常會配合教學進度進行相關的實驗課程，但是實驗的結果取決于實驗設備和實驗條件等多方面因素的綜合影響，不準確的實驗結果可能會使學生形成錯誤的認識。而借助多媒體教學和計算機輔助設計的綜合實驗教學的方法，可以發(fā)揮計算機仿真的數(shù)據(jù)結果不受實驗環(huán)境影響的優(yōu)勢，在實驗教學中引入電路仿真的方法可以快速得到實驗參數(shù)及結果。這不僅可滿足教學中對于實驗觀察和分析的要求，還可以培養(yǎng)學生的電路分析設計能力。

將計算機仿真引入實驗教學，引導學生邊講邊練邊實踐

通常的實驗結果是隨實驗過程中的變化而改變的，存在不可預測的特性。例如晶體管三極管電路由于其參數(shù)的一致性差，實驗中的數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)較大的偏差。采用計算機圖形仿真與實驗實測數(shù)據(jù)相結合的方法，不但可以檢驗誤差的大小，還可以觀察由于發(fā)生速度快而無法有效觀察的瞬時電路參數(shù)。例如，電子電路里常用的三極管對稱電路瞬態(tài)特性的分析實驗。首先我們將常用的電子元器件符號轉化為PROTEL軟件所識別的圖形符號，如圖1所示。然后進行計算機電路瞬態(tài)特性分析。在實驗電路中，RC時間常數(shù)為100kΩX20nF=2ms。測試要在屏幕上看到5個周期振蕩方波，選擇PROTEL軟件中的Operating Point Analysis和 Transient/Fourier；要指定一個10ms的仿真窗口，將Transient Stop Time欄設為10m；要設置Transient Step Time欄為10μ，表示仿真可以每10μs顯示一個點。在Maximum Step欄限制時間間隔大小的隨機性，設置Transient Max Step Time為10μ。 將Use Transient Defaults選項設為無效，這樣瞬態(tài)特性分析圖形如圖2所示。雖然通過普通的雙蹤示波器也可以觀察頻率為20MHz以下的周期性波形，但是實際過程中電路的參數(shù)受材料和器材的影響，不可能任意改變電路的基本參數(shù)。例如本實驗中改變RC時間常數(shù)，采用計算機仿真后，仿真快速性的優(yōu)勢變得明顯起來，不需要進行電子元件的替換就可以直接改變元件的參數(shù)值，在同樣的時間里可以觀察到更多的電路因參數(shù)影響而導致特性曲線的變化。采用計算機輔助分析的實驗方法后，學生可以更改部分電路參數(shù)，從而改變電路輸出特性，明確電路的變化趨勢，對于理論課中的知識有了更加形象的感性認識，加深了對知識的理解。

趣味引導和實驗結合的實驗教學方法

相對于普通電路的實驗課程，在進行計算機輔助仿真實驗的時候，不僅要求學生能夠根據(jù)實驗電路測試電路的參數(shù)，而且要在熟練使用計算機繪圖軟件的基礎上進行分析。這對于中職學生，尤其是對實驗電路的理解分析能力還沒有建立起來的部分學生來說是難度很大的。這就需要在教學過程中引入一種行之有效的實驗教學方法，從而更好的培養(yǎng)學生動手動腦勤于實踐的能力。下面以一堂90分鐘的實驗課為例介紹該教學方法：

首先，教師對于實驗需要驗證的原理和公式做必要的復習，引出實驗中要驗證的問題。

其次，由教師針對實驗電路采用啟發(fā)式教學來演示實驗，演示過程中要注意提出實驗中應當注意的問題和可能會出現(xiàn)的錯誤，比如避免電源短路和測量儀表過量程使用，并對實驗現(xiàn)象做出必要的分析和講解。通過步步引導、層層分析得出實驗結論。

最后，由學生分組進行實驗。和以往實驗不同的是，實驗完成后，教師并不立即檢查實驗數(shù)據(jù)和結論，而是指導學生在實驗完成后將實驗線路用計算機進行軟件模擬仿真分析。這樣不僅可以觀察到實驗過程中的瞬時過程和電路過渡暫態(tài)，而且可以由學生自己動手驗證實驗數(shù)據(jù)，并分析誤差產生的原因。借助此方法觀察顯示的實驗圖形，可以從理論分析和實驗結果兩個層面加深學生的感性認識，增強結論印象。

教學實踐證明，該方法可以使教師和學生始終處于互動狀態(tài)。可以充分調動學生的求知欲和學習積極性，對于提高學生的學習興趣效果明顯。

因材施教，逐步建立具備實驗特點的評價體系

由于學生的基礎和認識能力不同，通常根據(jù)接受能力和認知速度將學生分為ABC三類（如下表所示）。在進行實驗成績評價時，不僅應當充分考慮學生的計算機水平和接受能力等實際情況，而且還應考慮學生的成績均值，對于高于自己以往均值的學生給予鼓勵，對于低于自己以往均值的學生給予提醒。

在進行軟件仿真中，容易出現(xiàn)的因電路圖聯(lián)接或者操作過程不當導致結果錯誤，還容易出現(xiàn)因誤操作和元件識別問題出現(xiàn)輸出結果錯誤。這些錯誤往往是因粗心所致。這樣的錯誤也應當被評價體系所考察。鑒于以上因素，根據(jù)學生實驗水平，建議采用的評價方法為：

NewScore=OldScore-K*（Resore-Exp）

其中，NewScore為本次成績；OldScore為上次成績；K為放大系數(shù)；Rescore為本次實驗錯誤數(shù)；Exp為錯誤期望均值。

這種評價方法充分考慮的是學生的變化性和成績的穩(wěn)定情況，變化的情況可以由K值的大小反映出來：對于A類學生主要考慮實驗數(shù)據(jù)的準確性，K值一般取1.5即可；對于B類學生主要考慮實驗的過程，K值一般取1.8即可；對于C類學生主要考慮實驗完成情況，K值一般取2.0即可。

采用此評價方法后，學生的成績上升趨勢一目了然，對于以往對實驗課程不感興趣或者懼怕實驗的學生的鼓勵作用非常明顯。建立實驗教學評價體系后，教師能充分了解學生的基本學習情況，針對學生的不同情況因材施教。□