淺析計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

孫彩云

【摘 要】針對(duì)傳統(tǒng)電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的改革和創(chuàng)新。 闡明了計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)在該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用特點(diǎn)，該技術(shù)能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，是一種很好的教學(xué)手段

【關(guān)鍵詞】電子實(shí)驗(yàn);模擬仿真;探究性學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)： G642;TP3-4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）05-0094-002

作為新時(shí)代的大學(xué)生，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，他們是未來(lái)社會(huì)的主流力量和決定因素。現(xiàn)代高等教育的重要目標(biāo)之一就是培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的人才，為了緊跟現(xiàn)代教育發(fā)展的趨勢(shì)，教育工作者需在傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的基礎(chǔ)上，進(jìn)行積極的創(chuàng)新和教育技術(shù)水平的提高，《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》中強(qiáng)調(diào)，“強(qiáng)化信息技術(shù)應(yīng)用。提高教師應(yīng)用信息技術(shù)水平，更新教學(xué)觀念，改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)效果。鼓勵(lì)學(xué)生利用信息手段主動(dòng)學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，增強(qiáng)運(yùn)用信息技術(shù)分析解決問(wèn)題能力”[1]。

以電路分析，模擬電路，數(shù)字電路這三電課為主要內(nèi)容開(kāi)設(shè)的電子實(shí)驗(yàn)課程，是大多數(shù)理工科各專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程。為提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，理應(yīng)在有限的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件下，多開(kāi)展一些能增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴，而且新技術(shù)更新速度快，很多普通院校的實(shí)驗(yàn)室很難做到配套齊備，這樣就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生創(chuàng)新能力及科研能力無(wú)法得到鍛煉提高，自身的潛能不能得到激發(fā)，培養(yǎng)高層次電子人才的遠(yuǎn)大目標(biāo)更無(wú)法談及，這就需要各高校積極在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，利用計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。新時(shí)代下電子技術(shù)突飛猛進(jìn)，新技術(shù)日新月異，為新時(shí)代對(duì)大學(xué)生能力培養(yǎng)的需求，我們需改革和優(yōu)化統(tǒng)的電子實(shí)驗(yàn)。

目前電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師人員不足

作為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室，電工電子實(shí)驗(yàn)室每年承擔(dān)教學(xué)工作量大，儀器使用率高，近些年，更由于高校擴(kuò)招，導(dǎo)致學(xué)生人數(shù)翻倍，而各學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)室投入資金有限，導(dǎo)致很多實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備老化，更新率低，很多儀器設(shè)備屬于帶病工作。因?yàn)樯险n班級(jí)多，人數(shù)多，而實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量一定，使得實(shí)驗(yàn)課很難小班教學(xué)，有時(shí)候得幾個(gè)學(xué)生合用一套教學(xué)儀器，造成實(shí)驗(yàn)室教師在實(shí)驗(yàn)中不敢讓學(xué)生大膽放開(kāi)使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，使得學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性不高，從而影響教學(xué)質(zhì)量。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法教條

目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容都是以驗(yàn)證性內(nèi)容為主，加上儀器設(shè)備陳舊老化等原因，為了保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)教師會(huì)選定幾個(gè)易于操作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目給學(xué)生進(jìn)行，在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之前會(huì)講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并加以演示，為了順利拿到學(xué)分，大部分學(xué)生會(huì)按照教師講授或者實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的要求按部就班的進(jìn)行操作，然后將得到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果一一記錄。實(shí)話來(lái)說(shuō)，這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式讓課堂進(jìn)展非常順利，但縱觀整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生沒(méi)有發(fā)揮自我主動(dòng)性，只是被動(dòng)的機(jī)械的完成操作，雖然也順利完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程缺乏自己觀點(diǎn)與創(chuàng)新性意識(shí)的培養(yǎng)。

模擬仿真技術(shù)在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用

仿真是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的某一層次抽象屬性的模仿。人們利用這樣的模型進(jìn)行試驗(yàn)，從中得到所需的信息，然后幫助人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的某一層次的問(wèn)題做出決策[2] 。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的廣泛普及，電路中的計(jì)算機(jī)輔助分析已經(jīng)成為電路理論分析的重要組成部分。所以利用計(jì)算機(jī)對(duì)電路性能進(jìn)行分析和仿真成為培養(yǎng)電氣工程技術(shù)人員必需的基本訓(xùn)練。

使用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，電子實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程都可以利用電腦軟件來(lái)模擬，在電子實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，高壓部件和強(qiáng)電流接觸都是不可避免的。作為實(shí)驗(yàn)初學(xué)者，出現(xiàn)操作失誤或錯(cuò)誤操作也是較常見(jiàn)的，例如電路連接時(shí)候出現(xiàn)短路或者短路，導(dǎo)致某些電子元件出現(xiàn)強(qiáng)電擊穿、過(guò)熱起火甚至爆炸等現(xiàn)象。這種情況非常危險(xiǎn)，不僅容易讓師生受傷，更會(huì)引起火災(zāi)或出現(xiàn)漏電風(fēng)險(xiǎn)。而如果采用模擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中并不需要直接接觸高危實(shí)驗(yàn)部件，就能夠得出有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，就能避免上述危險(xiǎn)情況，還能詳細(xì)演示如果出現(xiàn)電子元件安裝錯(cuò)誤或者操作失誤帶來(lái)的嚴(yán)重后果現(xiàn)象，讓學(xué)生更加注意實(shí)驗(yàn)安全。可以說(shuō)模擬仿真技術(shù)來(lái)實(shí)驗(yàn)比很多傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)法要更安全，更便捷。

計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)的平臺(tái)計(jì)算機(jī)，相比于傳統(tǒng)的電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)，每一次實(shí)驗(yàn)都要用到數(shù)量不等的電子元件，甚至有一些是屬于消耗性的價(jià)格昂貴的元器件。因?yàn)槟M仿真技術(shù)中的各種成熟的應(yīng)用的軟件，常見(jiàn)電子元器件的型號(hào)和特質(zhì)能被仿真軟件成功模擬。模擬仿真實(shí)驗(yàn)就不會(huì)因?yàn)閷?shí)際元器件在長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)運(yùn)行情況下而造成的元器件損害或者出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差。模擬仿真實(shí)驗(yàn)，為保證實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)者可以自行調(diào)整軟件時(shí)間，既能節(jié)約時(shí)間成本，又可以節(jié)約了學(xué)校實(shí)驗(yàn)元器件購(gòu)買(mǎi)經(jīng)費(fèi)，更能通過(guò)模擬仿真試驗(yàn)減少專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，通過(guò)計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師首先將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行示范演講，再讓學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，即節(jié)省了教學(xué)時(shí)間又提高了實(shí)驗(yàn)效率。模擬仿真實(shí)驗(yàn)又能保證了電子實(shí)驗(yàn)得到準(zhǔn)確操作，又避免了因?yàn)閷W(xué)生設(shè)計(jì)失誤或者操作失誤而損壞實(shí)際的貴重元器件，這樣學(xué)生能夠順利完成實(shí)驗(yàn)又節(jié)約了學(xué)校的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

模擬仿真實(shí)驗(yàn)是用電腦軟件直接進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，這樣可讓學(xué)生在模擬過(guò)程中放慢實(shí)驗(yàn)過(guò)程，從而了解實(shí)驗(yàn)的每一步的運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中同時(shí)在模擬界面上顯示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果甚至可以把每個(gè)部件通電之后內(nèi)部的運(yùn)行流程進(jìn)行顯示，這樣可以幫助學(xué)生更加直觀的了解了實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果。例如，在電路實(shí)驗(yàn)“基本元件伏安特性的測(cè)繪”實(shí)驗(yàn)中，有關(guān)于二極管的伏安特性測(cè)繪，在仿真實(shí)驗(yàn)中，我們可將元件二極管先后正接和反接到特定的交流電和直流電電路中，通過(guò)記錄電流和電壓和溫度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出相關(guān)伏安特性曲線，從而順利得到關(guān)于二極管的重要特性——單向?qū)щ姟Ｔ谀M實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)不斷加大二極管兩端的負(fù)載，使得因?yàn)槌^(guò)其能承受的極限導(dǎo)致二極管熔斷，從而起到保護(hù)電路的作用，從而理解二極管能作為過(guò)載保護(hù)器的原因。學(xué)生通過(guò)在模擬仿真系統(tǒng)中不斷地仿真二極管過(guò)載過(guò)程，觀察熔斷現(xiàn)象，從而強(qiáng)化印象加深實(shí)驗(yàn)結(jié)論，而整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不需要消耗一個(gè)真實(shí)的二極管器件。

對(duì)于一些電路復(fù)雜或者危險(xiǎn)性高的高壓電路也可以利用模擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為避免實(shí)際電路運(yùn)行失敗或觸電危險(xiǎn)，可以先再模擬仿真軟件中進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)行，成功 之后再實(shí)際組裝和運(yùn)行。因?yàn)槟M軟件安裝容易，學(xué)生只要將軟件中的實(shí)驗(yàn)元器件通過(guò)點(diǎn)點(diǎn)鼠標(biāo)就可進(jìn)行電路搭建，所以不僅節(jié)省大量的教學(xué)時(shí)間且能保證師生實(shí)驗(yàn)安全。在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中顯示運(yùn)行故障，可以通過(guò)仿真軟件中的檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)電路，及時(shí)找到故障點(diǎn)對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行處理從而避免給給實(shí)際的實(shí)驗(yàn)電路造成真實(shí)損害。電子實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)制作以及高壓電路的實(shí)驗(yàn)過(guò)程都可以通過(guò)模擬仿真來(lái)實(shí)驗(yàn)，從而減少危險(xiǎn)降低損耗。

模仿仿真實(shí)驗(yàn)在提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)非常有益，因?yàn)槟M仿真技術(shù)讓實(shí)驗(yàn)突破了時(shí)間和空間的限制，只要擁有一臺(tái)安裝上特定軟件的電腦，就相當(dāng)于擁有個(gè)人工作室，不再局限于特定的時(shí)間到特定的實(shí)驗(yàn)室去做電子實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在任何自己方便的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既可以安全操作實(shí)驗(yàn)又有低成本的優(yōu)點(diǎn)，能讓學(xué)生們充分發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，將不常接觸到元件或是實(shí)際操作危險(xiǎn)性大的元件或者是昂貴的元器件都組合到實(shí)驗(yàn)中來(lái)，不用害怕實(shí)驗(yàn)的失敗而導(dǎo)致的損失，勇敢去嘗試各種實(shí)驗(yàn)。在多次的實(shí)驗(yàn)中一一掌握相關(guān)元器件的功用，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理理解的更透徹。

模擬仿真技術(shù)的不足

雖然計(jì)算機(jī)模擬仿真實(shí)驗(yàn)有很多優(yōu)點(diǎn)，但也還是有缺點(diǎn)的。第一，計(jì)算機(jī)模擬仿真試驗(yàn)并不是實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)，例如線路布置、跳接、電路調(diào)試等問(wèn)題在模擬仿真實(shí)驗(yàn)中無(wú)法真實(shí)體驗(yàn)，必需要經(jīng)過(guò)實(shí)際的上機(jī)親手實(shí)驗(yàn)才能扎實(shí)了解掌握。另外計(jì)算機(jī)模擬軟件里的電路圖非常的整齊劃一，而實(shí)際操作并非如此，所以模擬仿真很難完全取代傳統(tǒng)的手動(dòng)實(shí)驗(yàn)方式。

結(jié)束語(yǔ)

隨著科技高速進(jìn)步，電子相關(guān)專業(yè)理論課程的發(fā)展雖然也很快，但因?yàn)閷?shí)際知識(shí)和理論知識(shí)之間慣有的時(shí)間差，這樣就對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求更高。學(xué)生除了需要理解掌握書(shū)本上的理論知識(shí)，還需要對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)能進(jìn)行自我擴(kuò)充，對(duì)新技術(shù)未來(lái)發(fā)展的方向也要有所關(guān)注。在電子實(shí)驗(yàn)中引入計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，除了課堂上認(rèn)真跟隨老師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，課后能主動(dòng)上網(wǎng)查詢相關(guān)資料，自行進(jìn)行進(jìn)一步模擬仿真實(shí)驗(yàn)。從而將學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)造性得到提升。通過(guò)模擬仿真技術(shù)的在電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。通過(guò)實(shí)際教學(xué)驗(yàn)證，計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)的使用讓教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率得到很大提升，同時(shí)也讓學(xué)生們的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技能水平提高，為國(guó)家培養(yǎng)出更優(yōu)秀的人才。

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