虛擬仿真技術(shù)在“模擬電子技術(shù)”課程中的應(yīng)用與實踐

韓靜 葉劍春

【摘 要】 文章介紹了模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，分析了虛擬仿真軟件在該課程中的優(yōu)勢和實踐意義。課題組在精煉和優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，探索了一種借助proteus軟件進行虛擬仿真教學(xué)的模式，并引入到課堂教學(xué)和實驗教學(xué)中，收到了良好的效果。

【關(guān)鍵詞】 虛擬仿真技術(shù);proteus;模擬電子技術(shù)

【中圖分類號】 TN710.2 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）05-0051-02

“模擬電子技術(shù)”是電子專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強的工程性和實踐性。因此，該課程的教學(xué)不僅要重視理論知識的傳授，還要注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力、排除故障能力和創(chuàng)新能力。

一、“模擬電子技術(shù)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀

“模擬電子技術(shù)”這門課程對學(xué)生的基礎(chǔ)知識要求很高，加上課程內(nèi)容枯燥、晦澀難懂、不直觀、公式復(fù)雜，導(dǎo)致學(xué)生初學(xué)時常常不知所措，因理解深度不夠而無法靈活運用，更談不上獨立分析問題、解決問題了。因此，學(xué)生都把這門課稱為“魔電”。

另一方面，傳統(tǒng)的“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)一般采用“理論教學(xué)+實驗教學(xué)”的形式。理論教學(xué)基本上采用多媒體課件加教師講授的形式，難以創(chuàng)設(shè)具體的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生沒有參與感，使得本就深奧難懂的理論知識更加枯燥乏味。實驗教學(xué)通常先由教師演示，再由學(xué)生操作，最后撰寫實驗報告。由于實驗電路都是現(xiàn)成的電路板，學(xué)生只能驗證輸出信號與輸入信號的關(guān)系，所得到的認識還是浮于表面。

最后，學(xué)生在校學(xué)習(xí)時缺乏工程實踐方面的培養(yǎng)，等到了工作單位自然不具備工程實踐設(shè)計的能力，還得重新培訓(xùn)。

二、“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)改革的措施

為適應(yīng)當(dāng)前學(xué)生的基礎(chǔ)和能力，課題組對這門課程進行了全方位的改革。從內(nèi)容到形式，從理論到操作，刪掉了難以理解的深層理論，加強了學(xué)生動手操作的環(huán)節(jié)。

（一）精煉教學(xué)內(nèi)容，采用項目驅(qū)動法

“模擬電子技術(shù)”的教學(xué)內(nèi)容經(jīng)過了重新整合，章節(jié)安排采用項目驅(qū)動法。每個項目都以一個設(shè)計性實驗為統(tǒng)領(lǐng)，先講授必要的理論知識，并讓學(xué)生完成基礎(chǔ)電路的仿真，即驗證性實驗;然后進入設(shè)計性實驗的學(xué)習(xí)和操作，包括教師講授和學(xué)生自主仿真。此過程中遇到的問題和困惑就構(gòu)成了師生間的互動，相互啟發(fā)，排除故障，最終完成設(shè)計題目。

（二）虛擬仿真技術(shù)在“模擬電子技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用

“模擬電子技術(shù)”的學(xué)習(xí)最好能采用理實一體化的形式。但在實際教學(xué)中，受各方面條件的制約，常常無法實現(xiàn)。即使能采用理實一體化的形式，由于學(xué)生操作所需時間太長，會影響整門課的進度。所以，在計算機上用軟件來仿真電路的工作過程是一個折衷的、效果顯著的辦法。

下面通過幾個例子說明proteus軟件在教學(xué)中的作用。

1.教學(xué)演示功能

單管共射放大電路如圖1所示。調(diào)節(jié)圖1中的RV1，就能調(diào)節(jié)基極電流，進而調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點的位置。將RV1從最大值調(diào)節(jié)到最小值，放大電路依次工作在截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)，通過示波器可以看到截止失真、正常放大、飽和失真的波形。

2.分析比較功能

若想比較不同放大電路的性能，還可以更換三極管的型號。假設(shè)圖1電路的輸入信號為us=5sinωtmV，RV1的取值為80kΩ，此時的ui和uo波形如圖2所示。根據(jù)圖示波形可以算出電壓放大倍數(shù)約為Au===50。更換三極管型號后，輸入信號還是us=5sinωtmV，RV1的取值還是80kΩ，此時的ui和uo波形如圖3所示。根據(jù)圖示波形可以算出電壓放大倍數(shù)約為Au==≈47。

實踐證明，相對于過去“填鴨式”的教學(xué)方式而言，學(xué)生的參與度和成就感大大提高。他們必須主動思考、討論、嘗試才能完成仿真任務(wù)，收獲自然要大得多。學(xué)生普遍反映，仿真軟件使課堂教學(xué)更加有趣，他們不走神了，愿意鉆研電路了。

3.系統(tǒng)建模與仿真功能

學(xué)生積累了一定經(jīng)驗后，可以自行設(shè)計有實用價值的電路，比如：模擬運算電路、濾波電路、振蕩電路，等等。在實訓(xùn)階段，可視學(xué)生水平布置不同的設(shè)計題目，鼓勵學(xué)生創(chuàng)新并做出電路板。

實用電路的設(shè)計需要經(jīng)過“系統(tǒng)分析與建模”“模型仿真”“調(diào)試測試”三個步驟。這個過程雖然艱苦，但是能鍛煉學(xué)生多方面的能力：分析問題解決問題的能力，鉆研教材、理論聯(lián)系實際的能力，排除故障的能力，溝通合作的能力。

（三）對虛擬仿真技術(shù)的補充說明

引入虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢還體現(xiàn)在：

1.學(xué)生學(xué)習(xí)不受時間和空間的限制。以往學(xué)生想要做實驗只能去實驗室，而實驗室是公用的，并且周末和下班時間都不可能對學(xué)生開放。有了仿真軟件，學(xué)生就可以在自己的電腦上隨時隨地學(xué)習(xí)。

以教師講解為主的“注入式”教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生操作為主的“探究式”教學(xué)模式以后，能夠極大地調(diào)動學(xué)生的積極性。學(xué)生從剛開始的“照貓畫虎”，到后來的舉一反三、觸類旁通，一步步深入到模擬電路中去，有反思、有比較、有改進。嘗到成功喜悅的學(xué)生更有自信了。

2.引入虛擬仿真技術(shù)進行實驗教學(xué)，對于實現(xiàn)零安全事故、降低實驗成本有極大好處。過去，學(xué)生由于對原理吃不透，擔(dān)心引起安全事故，做實驗時總是畏手畏腳、不敢嘗試。現(xiàn)在，既不必為每個實驗制作電路板，也不用擔(dān)心損壞設(shè)備和元件，學(xué)生就敢大膽嘗試更多的電路設(shè)計。

值得注意的是，虛擬仿真技術(shù)有這么多優(yōu)勢，但是并不代表用真實元器件進行操作的實驗室實驗被摒棄了。實驗室實驗才是最真實的實踐環(huán)境，電路工作時出現(xiàn)的各種故障才是最真實的實踐效果。實際動手操作的過程能讓學(xué)生體會到實踐和理論之間的距離，領(lǐng)悟到的經(jīng)驗和教訓(xùn)才是提高自身能力的根本。

三、總結(jié)

在優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容的同時，將虛擬仿真技術(shù)適當(dāng)?shù)匾氲健澳M電子技術(shù)”課程中，非常有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生的主動性和創(chuàng)造力，有利于培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

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