基于虛擬仿真模式下模擬電子技術教學改革探究

李宏杰，趙建周

（安陽工學院電子信息與電氣工程學院，河南 安陽 45500）

0 引言

模擬電子技術是高等院校所有強電和弱電類專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎課[1]。通過該課程學習，可以使學生掌握半導體器件、模擬電子線路及系統(tǒng)的概念和知識，為后續(xù)專業(yè)課程學習以及更高級的中大規(guī)模集成電路設計做好知識儲備。然而，由于模擬電子技術課程具有物理概念抽象、分析方法復雜、工程特點突出等特點，因此學生普遍反映該課程學習起來理解難，掌握難，入門難[2]。加之傳統(tǒng)的模擬電子技術課程講授模式通常以教師課堂灌輸理論知識為主，缺乏實踐動手調試電路過程，因此學生學起來感覺難上加難。

虛擬仿真技術是國家教育部在2013年提出并引入到高等教育改革中。虛擬仿真技術可以實現(xiàn)各高校優(yōu)質資源開放共享，把各高校自身學科優(yōu)勢與專業(yè)特色更好地結合，建立優(yōu)勢互補的開放共享學術環(huán)境[3]。虛擬仿真技術是把虛擬現(xiàn)實、人機交互、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡通信等技術結合起來，用于實現(xiàn)實踐教學過程中的虛擬實驗平臺、虛擬實驗設備、實驗電子線路、實驗電子元器件的搭建和仿真[4]。

本文采用Multisim10和HSPICE仿真軟件對傳統(tǒng)模擬電子技術課程實驗進行改革探究，分別從電路板級和晶體管級進行模擬仿真，把抽象的物理概念和電子線路系統(tǒng)通過虛擬仿真技術客觀地展現(xiàn)出來，增加了學生的理解深度，激發(fā)了學生的學習興趣，拓寬了學生的創(chuàng)新思維。因此探究虛擬仿真模式下的模擬電子技術改革具有較好的應用意義。

1 課堂教學內容改革

1.1 虛擬仿真模式下的理論教學內容

隨著電子技術新工藝、新技術、新方法的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬電子技術教學內容已經(jīng)不能較好地滿足人才培養(yǎng)和社會發(fā)展需要[5]。傳統(tǒng)的模擬電子技術教學內容主要體現(xiàn)為：①課程概念多、符號多、器件類型多、分析方法多。②課程知識點比較分散，理論銜接少，綜合運用幾乎無。③課程知識較為陳舊，教材只注重理論分析，缺少工程實踐運用[6]。以上三方面的缺點制約了學生學習的積極性，限制了學生的創(chuàng)新思維，不利于學生對于課程知識的掌握和運用。

本文提出的基于虛擬仿真模式下的理論教學內容作了以下三方面探究：

第一，在課程知識點講授上采用工程項目向導法，按照“提出問題，分析問題，解決問題”三步走策略。以設計一個固定直流穩(wěn)壓電源為例。第一步，給學生提出設計一個固定直流穩(wěn)壓電源的命題，使他們知道模擬電子技術可以解決該類實際工程問題。第二步，跟學生一起分析設計固定直流穩(wěn)壓電源所需電路結構。欲使220V工頻交流電變成5V固定直流穩(wěn)壓電源，電路系統(tǒng)應包含四部分子電路：①變壓器子電路。通過該電路首先把220V的工頻電壓變成5V左右的目標電壓。②整流子電路。通過該電路給學生講解整流原理，利用二極管中PN結的單向導電性可以實現(xiàn)電壓波形整流。具體整流方法包括半波整流法、全波整流法、橋式整流法。③濾波子電路。通過給學生講解電容、電感的物理模型和基本原理以及電路頻率響應方面的知識，利用電容、電感實現(xiàn)電壓波形濾波。④穩(wěn)壓子電路。通過該電路講解穩(wěn)壓管原理以及集成穩(wěn)壓芯片的功能和使用。第三步，確定固定直流穩(wěn)壓電源各子電路后，給學生發(fā)放電子元器件進行焊制電路板。首先通過Altium Designer軟件繪制電路板圖并且進行制板，制板完成后進行焊接元器件，最終進行實物調試測試。這樣一個固定直流穩(wěn)壓電源就按照工程向導法設計完成了。通過該項目，學生在解決實際工程問題中學習了模擬電子技術課程中的知識鏈，激發(fā)了學生學習興趣和創(chuàng)新思維。除了直流穩(wěn)壓電源以外，課程的其他內容也可以按照工程向導法來講，如信號運算處理電路、功率放大電路、波形產(chǎn)生和處理電路等。

第二，在模擬電子技術理論教學中引入虛擬仿真軟件的學習。隨著電子技術的日益更新，各類計算機輔助設計軟件層出不窮。其中美國國家儀器（NI）推出的電子設計仿真軟件Multisim10和目前中大規(guī)模集成電路設計中廣泛采用的仿真軟件HSPICE就是很好的代表。通過學習Multisim10仿真軟件，學生可以把所學的模擬電子技術知識通過仿真直觀展現(xiàn)開來。通過HSPICE仿真軟件可以從更底層的半導體器件及對電路進行模擬仿真，通過搭建模擬電子線路和設置各類晶體管的參數(shù)，最終可以從仿真結果中得到電路性能的各項指標參數(shù)。

第三，在模擬電子技術理論教學中加入大學生電子設計競賽的知識。隨著大學生電子設計競賽越來越有影響力，近年來許多世界知名企業(yè)也都積極加入進來，使其命題越來越具有工程實用價值?；仡櫄v年電子設計競賽的題目，通常包含以下幾個類型：電源類、信號源類、自動控制類、無線電技術類、儀器儀表類。所涵蓋的知識點包括：模擬電子技術、數(shù)字電子技術、高頻電子線路、可編程邏輯器件等[7]。因此在模擬電子技術理論教學中加入一些電子設計競賽中關于模擬電子技術的命題，啟發(fā)了學生的發(fā)散思維，增強了學生的創(chuàng)新能力。

1.2 虛擬仿真模式下的實踐教學內容

傳統(tǒng)模擬電子技術實踐教學主要采用模擬實驗箱方式，即學生通過使用實驗箱上現(xiàn)成的集成模塊，用插線來構造各類模擬電路[8]。但是這種傳統(tǒng)實踐教學方式存在諸多弊端：①由于模擬實驗箱采用插線孔方式，學生在實驗過程中容易造成插針折斷、接觸不良等問題。另外，隨著機箱設備老化、插線虛斷等問題，影響實驗過程和結論。②模擬實驗箱采用模塊化集成方式，只包含了一些課本上涉及的知識模塊，如：電子元器件、運算處理電路、功率放大電路等。如學生想要做一些創(chuàng)新性實驗，學校必須從廠家購買新的模塊，增加了實驗成本，另外一些創(chuàng)新性實驗并沒有現(xiàn)成模塊。③采用實驗箱集成模塊化實踐教學方式，時間久了學生就會形成固定模塊化思維，認為模擬電子技術只能做些課本實驗和應用，制約了他們的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力。

基于虛擬仿真模式下的實踐教學改革作了以下兩方面探究：

圖1 固定直流穩(wěn)壓電源仿真原理圖

圖2 固定直流穩(wěn)壓電源實物圖

第一，采用美國國家儀器公司（NI）的仿真軟件Multisim10代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬實驗箱做一些綜合類實驗。

由于綜合類實驗所需的子電路模塊較多，電路較為復雜，因此可以嘗試讓學生用Multisim10仿真軟件設計該類實驗。圖1為基于Multisim10設計的固定直流穩(wěn)壓電源，其中包括了整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。電路的各項指標參數(shù)可以通過仿真進行調試。圖2為通過Multisim10設計完成電路后動手制作的固定直流穩(wěn)壓電源實物。

第二，采用HSPICE仿真軟件從晶體管級對模擬電子線路進行仿真。隨著電子技術的不斷發(fā)展，集成電路工藝在電子產(chǎn)品研發(fā)中越來越重要，因此模擬電子技術實踐教學中應相應地增加集成電路設計的內容。例如：教材中關于集成運算放大器只介紹差分輸入級、中間放大電路、功率輸出級、電流偏置，具體各部分電路結構以及各元器件參數(shù)指標都沒有提及，學生學習完之后仍然無法更深層次理解相關知識。HSPICE仿真軟件可以從晶體管級對電路進行仿真調試。圖3為基于HSPICE設計的集成運算放大器仿真原理圖。

圖3 集成運算放大器仿真原理圖

2 課堂教學方式改革

傳統(tǒng)的模擬電子技術課堂教學方式是采用教師灌輸法，即通過學生課前預習，教師上課講授，學生下課作業(yè)的方式。基于虛擬仿真模式下的模擬電子技術課程教學采用“理論講授+虛擬仿真+課后實踐”模式，即教師在課堂上采用工程項目向導法，把一個工程項目類的所有知識鏈按照正常的教學計劃向學生講授，學生在掌握該項目所需知識后先通過Multisim10或HSPICE軟件進行虛擬仿真，電路功能確認實現(xiàn)后再進行動手實物焊接和調試。

3 課堂教學考核方式改革

為了能夠準確而全面地考核學生在一學期內對于模擬電子技術的掌握程度，期末考試采用“試卷考核+項目實驗考核+日常表現(xiàn)考核”形式。試卷考核方式采用百分制，試卷內容將涵蓋課本理論和虛擬仿真知識。主要考查學生對于理論知識和虛擬仿真知識的掌握情況，其成績占綜合成績的50%。項目實驗考核也采用百分制，主要考查學生的創(chuàng)新思維和實際動手能力。具體形式為教師給出若干道項目實驗類命題，其主要內容涵蓋模擬電子技術知識，然后由學生隨機抽題進行作答，兩周后學生以（工程項目文件+實物演示）的形式進行考核試卷提交。其中工程項目文件包括：仿真原理圖、電子元器件參數(shù)表、PCB原理繪制圖。實物演示部分由學生當面向教師演示實物功能。項目實驗考核成績占綜合成績的30%，日常課堂表現(xiàn)與課后作業(yè)完成情況占20%，最終綜合成績合格的學生拿到相應的學績績點。實踐證明：該課程教學考核方式符合應用型本科院校培養(yǎng)目標。

4 結束語

本文提出的基于虛擬仿真模式下的模擬電子技術教學改革分別從理論教學內容改革、實踐教學內容改革、課堂教學方式改革、課堂教學考核方式改革進行探究。實踐證明基于虛擬仿真模式下的模擬電子技術教學改革增強了學生的創(chuàng)新思維和動手能力，同時提高了學生學習該課程的興趣，為學生今后從事相關工作做好知識儲備，能夠較好地滿足應用型本科院校的人才培養(yǎng)目標。