仿真軟件與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

摘要：本文對(duì)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了把仿真軟件的運(yùn)用增加到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的觀點(diǎn)，并介紹了仿真軟件Multisim的功能和特點(diǎn)，以及在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；電子技術(shù)；Multisim

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

電子技術(shù)是工科電子類專業(yè)和計(jì)算機(jī)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到該專業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。該課程分為模擬與數(shù)字兩部分，在教學(xué)中有相當(dāng)難度。一方面由于這門課的內(nèi)容廣泛，涉及了眾多的原理電路和應(yīng)用電路，學(xué)生在學(xué)習(xí)中需要很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)消化；另一方面由于電子技術(shù)的實(shí)踐性較強(qiáng)，必須用大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)輔助和加深理論學(xué)習(xí)。

為解決第一方面的問(wèn)題，近年來(lái)許多高校在電子課程的教學(xué)中應(yīng)用了多媒體技術(shù)，并且形成一種趨勢(shì)，各校多媒體教學(xué)課件的水平也在不斷提高。使用多媒體課件不僅可以節(jié)省大量板書電路圖的時(shí)間，而且動(dòng)畫的適當(dāng)應(yīng)用也使得教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)形象，這對(duì)于學(xué)生理解理論知識(shí)有很大的幫助，課堂教學(xué)取得了不錯(cuò)的效果。但對(duì)于第二方面，限于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的分配與實(shí)驗(yàn)室硬件資源的配置，一直沒(méi)有很好的解決辦法。

以往的電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是在課堂教學(xué)后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室對(duì)若干個(gè)電路進(jìn)行驗(yàn)證，由于實(shí)驗(yàn)室不可能同時(shí)容納所有學(xué)生，大部分學(xué)生要等待較長(zhǎng)的時(shí)間才能對(duì)所學(xué)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在等待的過(guò)程中容易產(chǎn)生理論與實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的現(xiàn)象。即使有少數(shù)學(xué)生能夠在課堂學(xué)習(xí)之后馬上進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，剛剛從課堂聽(tīng)來(lái)的知識(shí)也還沒(méi)能全面系統(tǒng)地吸收消化，仍然處于一種似懂非懂的狀態(tài)中，面對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)從下手，實(shí)驗(yàn)的效果并不好。

其次，大多數(shù)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室都存在嚴(yán)重的元器件品種和數(shù)量不足，以及實(shí)驗(yàn)儀器、電路板陳舊老化的問(wèn)題。受到這些硬件條件的影響，電子實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的學(xué)時(shí)較少，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容局限在一定范圍內(nèi)并且多屬驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。而電子技術(shù)這門課的要求是學(xué)生能夠熟悉大量的原理電路并對(duì)簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路具有分析和設(shè)計(jì)能力，教學(xué)資源與教學(xué)目標(biāo)兩者之間形成巨大的落差。學(xué)生只能在有限的條件下進(jìn)行指定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不能充分展開(kāi)設(shè)計(jì)思想，大量的電路也不可能在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)中一一進(jìn)行驗(yàn)證，這在很大程度上影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)熱情。許多教師曾經(jīng)抱怨學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不夠重視，我認(rèn)為這種現(xiàn)象實(shí)在不能歸咎于學(xué)生。

在這種情況下，教師可以盡量開(kāi)辟渠道，使學(xué)生接觸更新穎的實(shí)驗(yàn)方法，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)提高實(shí)驗(yàn)的效率，同時(shí)提高學(xué)生的分析與設(shè)計(jì)能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用電子線路設(shè)計(jì)和仿真軟件Multisim就是一種很好的嘗試。

2仿真軟件Multisim

EWB(Electronics Workbench)是加拿大Interactive Image Technologies公司(簡(jiǎn)稱IIT公司)推出的專門用于電子線路設(shè)計(jì)和仿真的工具軟件。20世紀(jì)80年代推出的EWB 5.0版本，以界面形象直觀、操作方便、分析功能強(qiáng)大、易學(xué)易用等突出優(yōu)點(diǎn)，于20世紀(jì)90年代在我國(guó)得到迅速推廣，受到電子行業(yè)技術(shù)人員的青睞。跨入21世紀(jì)初，IIT公司在保留原版本優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加了更多功能，特別是改進(jìn)了EWB 5.0軟件虛擬儀器調(diào)用有數(shù)量限制的缺陷，推出了EWB 6.0版本，并取名Multisim，意為多重仿真或萬(wàn)能仿真，也就是Multisim 2001版本，2003年又升級(jí)為Multisim 7.0版本。Multisim 7.0功能相當(dāng)強(qiáng)大，它有十分豐富的電子元器件庫(kù)，可供用戶調(diào)用組建仿真電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；它提供18種基本分析方法，可供用戶對(duì)電子電路進(jìn)行各種性能分析；它還有多達(dá)17臺(tái)虛擬儀器儀表和一個(gè)實(shí)時(shí)測(cè)量探針，能勝任各種電子電路的分析和仿真實(shí)驗(yàn)。Multisim 7.0已經(jīng)相當(dāng)成熟和穩(wěn)定，是IIT公司在電子仿真軟件領(lǐng)域中的一個(gè)里程碑。以后IIT公司又相繼推出Multisim 8.0、8.3.30等版本，2005年以后，加拿大IIT公司已經(jīng)隸屬于美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instrument，簡(jiǎn)稱NI公司)。美國(guó)NI公司于2006年初首次推出Multisim 9.0版本，該版本的界面、元件調(diào)用方式、搭建電路、虛擬仿真、電路基本分析方法等還是沿襲了之前各版本的優(yōu)良傳統(tǒng)，軟件的內(nèi)容和功能又取得很大進(jìn)步。比如元件工具條中增加了單片機(jī)和先進(jìn)的三維外圍設(shè)備。另外，Multisim 9.0基本界面右邊的虛擬儀器工具條下方增加了4臺(tái)LabVIEW采樣儀器，分別是麥克風(fēng)、播放器、信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀。2007年初，NI公司又推出最新的NI Multisim 10版本。

Multisim操作界面如下圖所示，面對(duì)顯示器如同在實(shí)驗(yàn)室面對(duì)著一個(gè)左面放著器件、右面放著儀表、中間放著實(shí)驗(yàn)面包板的工作臺(tái)，常用元器件庫(kù)有信號(hào)源庫(kù)、基本元件庫(kù)、二極管庫(kù)、晶體管庫(kù)、模擬器件庫(kù)、TTL數(shù)字集成電路庫(kù)、CMOS數(shù)字集成電路庫(kù)、其他數(shù)字器件庫(kù)、混合器件庫(kù)、指示器件庫(kù)、其他器件庫(kù)、射頻器件庫(kù)、機(jī)電器件庫(kù)等，可供用戶調(diào)用組建電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；儀器儀表欄依次為數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)發(fā)生器、瓦特表、雙通道示波器、四通道示波器、波特圖儀、頻率計(jì)、字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、IV分析儀、失真分析儀、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、Agilent信號(hào)發(fā)生器、Agilent萬(wàn)用表、Agilent示波器等，能勝任各種電子電路的分析和仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真—分析菜單下，Multisim提供的基本分析功能如直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析、失真分析、噪聲分析、直流掃描分析、參數(shù)掃描分析等等，可供用戶對(duì)電子電路進(jìn)行各種性能分析；不僅如此，Multisim的交互式仿真功能，可以在仿真的同時(shí)通過(guò)鍵盤簡(jiǎn)單地改變交互式元件的參數(shù)，立即就可以得到相應(yīng)的仿真結(jié)果?？梢哉f(shuō)，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行Multisim，就如同走進(jìn)一個(gè)設(shè)備先進(jìn)功能完善的電子實(shí)驗(yàn)室。

3在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用Multisim 仿真技術(shù)的方法和優(yōu)勢(shì)

Multisim可以實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入Multisim等仿真技術(shù)既是教學(xué)內(nèi)容與手段改革的必然趨勢(shì)，也是學(xué)科建設(shè)和發(fā)展的迫切需要，但決不能忽視了硬件實(shí)驗(yàn)的重要性。只有在教學(xué)中將現(xiàn)代化手段與傳統(tǒng)模式相結(jié)合，才可以幫助學(xué)生更快更好地掌握知識(shí)，進(jìn)一步培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新的能力。在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用Multisim仿真技術(shù)的方法是讓學(xué)生在正式實(shí)驗(yàn)之前，先在Multisim上模擬實(shí)驗(yàn)，然后再在真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行。這樣既可以彌補(bǔ)學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的不足，又可以提高實(shí)驗(yàn)效果，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力也是非常有益的。與傳統(tǒng)的電子實(shí)驗(yàn)相比，這種方法具有如下優(yōu)勢(shì)。

(1) 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，特別是較為先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，需

要很大的資金投入，而且平時(shí)維護(hù)的工作量也比較大。Multisim仿真軟件功能強(qiáng)大、動(dòng)態(tài)逼真，它提供的最壞情況分析、溫度掃描分析、噪聲分析等功能是一般電子實(shí)驗(yàn)所不具備的。同時(shí)，使用Multisim在計(jì)算機(jī)上建立虛擬電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中不會(huì)消耗元器件，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)元器件損耗大的缺陷，并省去大量的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間，降低了實(shí)驗(yàn)成本。更為重要的是仿真實(shí)驗(yàn)的引入突破了時(shí)間和空間的限制，使實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不再局限于傳統(tǒng)意義的實(shí)驗(yàn)室，所有配備電腦的教室甚至學(xué)生寢室都可以用來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，一室多用，大大提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)施的利用率。

(2) 提高實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效率

利用Multisim軟件進(jìn)行電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程非常接近實(shí)際操作的效果。學(xué)生在這個(gè)虛擬的電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上練習(xí)之后，一些注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)原理、儀器使用方法等已經(jīng)基本掌握，再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)就可以很好地避免盲目操作，實(shí)驗(yàn)效率大大提高。使用Multisim仿真軟件可以方便地建立各種所需電路，快速準(zhǔn)確地對(duì)電路進(jìn)行仿真分析。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程相比較，節(jié)省了實(shí)際元器件安裝調(diào)測(cè)的過(guò)程。而且Multisim能夠進(jìn)行交互式仿真，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以不斷修改電路，同時(shí)觀察仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤可以立即更正，調(diào)試方便，不必重新搭建電路。

(3) 有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

在Multisim這個(gè)虛擬的電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，學(xué)生可以根據(jù)興趣自己選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主地進(jìn)行電路分析和設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不再局限于實(shí)驗(yàn)教材，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例提高了，綜合性、研究型實(shí)驗(yàn)逐漸進(jìn)入學(xué)習(xí)范圍。這種方式激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，拓展了學(xué)生的思維發(fā)展空間，培養(yǎng)和提高了學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。學(xué)生在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中會(huì)遇到問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，最終積累經(jīng)驗(yàn)，這就是一個(gè)自我學(xué)習(xí)的過(guò)程。學(xué)生有獨(dú)立思考、自主探索的時(shí)間和空間，可以使學(xué)生深刻地掌握原理運(yùn)用知識(shí)，還可以幫助他們把各個(gè)分離的知識(shí)點(diǎn)組合為一個(gè)整體。學(xué)生的獨(dú)立思考能力、動(dòng)手操作能力、分析問(wèn)題能力、解決問(wèn)題能力、創(chuàng)新能力也都會(huì)得到提高。

4結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用電子線路設(shè)計(jì)和仿真軟件Multisim，解決了學(xué)生理論學(xué)習(xí)與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)這兩個(gè)環(huán)節(jié)之間的銜接問(wèn)題；增加了實(shí)驗(yàn)的數(shù)量、擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)的范圍、加大了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例，能夠引起學(xué)生的興趣；同時(shí)可以在不增加硬件投入的情況下有效地緩解實(shí)驗(yàn)室資源的緊張?，F(xiàn)今的工程設(shè)計(jì)人員在做設(shè)計(jì)時(shí)都是先用仿真軟件模擬，然后再實(shí)踐。因此以學(xué)生為起點(diǎn)，利用Multisim仿真軟件做虛擬實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生既掌握了一種新的電子電路設(shè)計(jì)軟件，又掌握了一門新型的實(shí)驗(yàn)分析方法，在將來(lái)的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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Applied Multisim On Electronic Technology Experimental Teaching

Abstract: This paper analysis’s the problems of the electronic technology experimental teaching， suggests to take simulation software’s into the experimental teaching， introduces functions and feathers of the Multisim， and describe the applications on experimental teaching

Keywords: experimental teaching， electronic technology， Multisim