EWB仿真軟件在電類基礎課程中的教學研究與實踐

海軍大連艦艇學院基礎部 李 玲 周 波 趙冬梅 郭 姣

0 引言

“電路分析基礎”和“電子技術基礎”是我國高等院校教育中最基礎的兩門電類課程，是工程技術類專業學員入校以來最先接觸的兩門專業基礎課，也是后續相關專業課程學習的基礎[1]。該類課程概念定理多、內容豐富復雜，又與實際聯系緊密，歷來是學員比較畏懼的學科。因此，在有限的課堂教學時間內盡可能的幫助學員理解教學內容，培養學員的工程實踐能力和自主學習能力是每一名教員的職責所在。

現行的電類基礎課程教學模式存在的最大問題是理論教學與實驗教學脫節[2]。教員在課堂上更加注重于理論知識的傳授，學員無法真實感受到電路的可實現性，更無法判斷理論分析方案的正確性；而實驗教學通常在完成一定教學任務之后再做安排，學員在聽理論課時由于不能及時與實際聯系上，對理論難以理解，形成對電類課程“抽象、難學”的思想障礙，從而失去學習的信心；同時，由于實驗教學的滯后，學員對教學內容的感性認識已被延遲，對于某個學習內容起初產生的興趣也會隨著時間的推移逐漸消失[2]。針對此問題，筆者在對比多種仿真軟件的基礎上提出在電類基礎課程教學中廣泛應用(Electronics Workbench,EWB)軟件，以便學員能夠及時深刻理解所學知識。

1 主流電子電路仿真軟件對比

自20世紀60年代電子設計自動化(Electronics Design Automation,EDA)技術誕生以來，電子工程師們就一直在積極探索具有電路設計和仿真功能的軟件，Matlab、Proteus、EWB等各種仿真軟件層出不窮[3]。如今，電子電路仿真技術已是每名相關專業學習者和工作者必須掌握的技術之一，為了能夠在課堂教學中選擇最便于教員教學和學員學習的仿真軟件，需要對各類軟件做詳細分析。表1給出了幾款主流電子電路仿真軟件的優缺點。

經過對上述幾款軟件的性能對比發現：Matlab、Cadence、Proteus和Multism這四款軟件功能都比較齊全，但存在的問題是軟件操作復雜且體積較大，比較適用于已具備一定電子電路基礎的相關人員使用。而Tina和EWB這兩款軟件，雖然功能不很完善，但幾乎可以對電學中所有基本定律和定理進行仿真和演示，并且工作界面非常簡單，操作起來十分方便，特別適用于剛剛接觸電子電路知識的初學者使用。另外，這兩款軟件的體積都很小，Tina僅有100M，安裝起來毫不費力；而EWB更是只有20M，運行時無需安裝，直接雙擊exe文件即可打開界面，因此尤其適合課堂教學和課余自主學習。

表1 主流電子電路仿真軟件優缺點

2 EWB軟件在電類基礎課程中的教學實踐

鑒于EWB仿真軟件對于學習者和教學者的諸多優勢，筆者所在教學小組在“電路分析基礎”和“電子技術基礎”這兩門電路基礎課的教學過程中嘗試引入了EWB仿真，取得了較好的教學效果，現以“電子技術基礎（模擬部分）”中“甲乙類互補對稱功率放大電路[4]”一節為例進行詳細論述。

2.1 仿真融入契機

在課堂教學中引入EWB仿真是為了理論聯系實際，幫助學員理解教學內容，增加學員的學習興趣，而恰如其分的融入EWB仿真正是取得授課效果的前提，因此，教員在授課之前應對教學過程進行精心的設計。

圖1給出了“甲乙類互補對稱功率放大電路”一節的詳細教學流程設計，在整個授課過程中安排三次EWB仿真實驗，第一次仿真安排在課程開始階段，用于吸引學員注意，調動其學習興趣，并通過仿真提出問題進入本次課的學習；第二次仿真安排在解決問題后的驗證階段，用于驗證所實現電路是否解決已提出的問題，并通過仿真再次提出新的問題，培養學員發現問題、解決問題的探究式學習能力；第三次仿真安排在再次解決問題后的驗證階段，不僅可以驗證所改進電路是否解決問題，還能增加學員的信服力，培養其理論聯系實際能力。

圖1 詳細教學流程設計

2.2 仿真電路搭建

正確而直觀的仿真電路是取得仿真效果的保障。對于簡單電路的搭建可在課堂上現場完成，既可以吸引學員注意,增加其信服力，又可以使其潛移默化學習到軟件的用法。由于課堂時間有限，較為復雜的電路可提前在備課過程中搭建并調試好，授課過程中主要分析電路運行的結果。如“甲乙類互補對稱功率放大電路”一節授課內容較多，且所研究電路結構都很復雜，為節省課上時間，筆者在授課前已在EWB中搭建好甲類功放和乙類雙電源互補對稱功放這兩個仿真電路，如圖2(a)、(b)所示。而甲乙類雙電源互補對稱功放是在乙類雙電源互補對稱功放的基礎上稍加改動得到的，因此可在課堂上現場進行改進。

圖2 功率放大電路

2.3 仿真結果分析

仿真結果的正確與否關乎所授知識的正確性，更是解決問題的關鍵，因此教員要引領學員對仿真結果進行認真觀察并詳細分析。圖3(a)、(b)、(c)給出了“甲乙類互補對稱功率放大電路”一節中三個仿真實驗的結果，圖中上方波形均表示輸入信號，下方波形均表示輸出信號。

甲類功放的仿真結果如圖3(a)所示，從圖中可以明顯看出，輸出波形僅有正半周期，負半周期失真，故需對電路進行改進，經分析可補充一個僅輸出負半周期的甲類功放，構成乙類雙電源互補對稱功放；從理論上分析此功放輸出信號不失真，故對此電路進行EWB仿真驗證，結果如圖3(b)所示，輸出波形正負半周期都有輸出，但是卻在正負半周期的交界處出現了失真，因此需再次分析原因并對電路進行改進；由于此次失真僅出現在正負半周期交界處，所以引導學員思考理論與實際的差別，找到產生失真的原因，最終通過在兩個三極管基極之間加上兩個二極管，抬高兩個PN結之間的電壓來解決此問題，即構成甲乙類雙電源互補對稱功放，最后再利用EWB驗證得到如圖3(c)所示的結果，輸出波形與輸入波形相比，無任何失真[4-5]。

圖3 EWB仿真波形

2.4 教學實踐結論

EWB仿真的適時引入，不僅吸引了學員注意，活躍了課堂氣氛，而且提高了學員的學習興趣，使課堂利用率得以很大提高。通過本次課的學習，學員對“甲類”、“乙類”及“甲乙類”等各種概念的理解特別到位，對“半波失真”和“交越失真”產生的原因及改進措施掌握尤其牢固，對三種功率放大電路的優缺點及相互之間的聯系把握非常準確。

3 結束語

現代的世界是電子的世界，種類繁多的電子產品為我們的生活和工作帶來了諸多便利和幫助。在課堂教學過程中適時引入小巧、便捷的EWB電子仿真軟件，打破了死板、枯燥的理論教學模式，解決了理論與實驗脫節問題，使學員變被動學習為主動探究式學習，既可以提高課堂授課效果，又可以培養學員的理論聯系實際能力，激發他們的探索創新欲望，提高實際工程素養，同時還可以潛移默化的培養學員的邏輯思維能力和終身學習能力。