論現(xiàn)代虛擬仿真實驗平臺對高職電子類課程教學(xué)的重要性
——以Proteus 助力模擬電子技術(shù)課程教學(xué)為例

陳 思 楊 偉

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院<機電工程學(xué)院>，廣東 佛山 528137）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實驗平臺的功能不斷強大，運行穩(wěn)定性越來越好，可操作性越來越強，且可重復(fù)使用性、靈活性較好。在新工科背景下，將前沿的科技技術(shù)融入高職教育中，將先進(jìn)的虛擬仿真實驗平臺引入課程教學(xué)中，繼續(xù)完善虛擬仿真實驗室是現(xiàn)代高職教育改革的重要任務(wù)。電子類課程的教學(xué)內(nèi)容抽象且前后關(guān)聯(lián)性差，涉及的微觀原理復(fù)雜，給高職教學(xué)帶來較大難度。現(xiàn)代虛擬仿真實驗平臺對電子類的課程教學(xué)有著重要的作用。

1 在電子類課程教學(xué)中普遍遇到的困難與問題

1.1 課程內(nèi)容抽象繁雜，涉及的原理復(fù)雜

電子類課程內(nèi)容抽象繁雜，涉及很多抽象難懂的工作原理及定律[1]。 以模擬電子技術(shù)課程為例，涉及PN 結(jié)的工作原理、三極管的伏安特性、基爾霍夫電流定律和電壓定律等抽象的知識點。 在教學(xué)中，如果對其中的原理及定律一帶而過，難以讓學(xué)生對課程知識有深刻的認(rèn)知理解， 也難以讓學(xué)生靈活應(yīng)用專業(yè)知識。 僅憑PPT 課件去講解抽象復(fù)雜的知識點，讓學(xué)生憑空去想象， 容易導(dǎo)致學(xué)生課程內(nèi)容產(chǎn)生恐懼的心理，失去學(xué)習(xí)興趣。

1.2 實體實驗難以貫穿教學(xué)全過程

現(xiàn)有的實體實驗室由于還存在很多自身的缺陷和外部問題，往往難以充分滿足現(xiàn)代的教學(xué)需求。 一方面，因為實體實驗設(shè)備在反復(fù)使用的過程中容易遭到不同程度的損壞。 另一方面，隨著電子技術(shù)發(fā)展進(jìn)步， 新型電子元器件及電子電路不斷涌現(xiàn)，但是由于更新成本較重等原因，現(xiàn)有實驗設(shè)備難以得到及時的更新及補充。此外，課程課時有限，難以將耗時較長的實體實驗貫穿整個教學(xué)過程，所以老師在做授課計劃的時候不能安排過多的實體實驗。

2 現(xiàn)代電子類虛擬仿真實驗平臺的優(yōu)勢

現(xiàn)代虛擬仿真實驗平臺能夠很大限度地彌補實體實驗平臺的不足，對高職電子類課程教學(xué)具有重要的作用[2]。隨著科技技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實驗平臺的功能不斷強大，運行穩(wěn)定性越來越好，可操作性越來越強，且可重復(fù)使用性、靈活性較好，脫離固定實驗場所及實體實驗硬件條件的束縛，能夠很大限度地彌補實體實驗平臺的不足[3]。 Proteus、Multisim 及Matlab 等軟件提供的電子虛擬仿真實驗平臺具有面板操作方便、仿真逼真、提供多種激勵源并集成了豐富的虛擬儀器儀表的優(yōu)勢。 在課堂教學(xué)中，可以通過虛擬仿真實驗演示來講解抽象復(fù)雜的工作原理，在仿真電路中測出電路參數(shù)來驗證理論計算公式及定律。 在課后，學(xué)生可以利用虛擬仿真實驗平臺來鞏固課程知識，鍛煉自主思考和分析問題的能力，提高創(chuàng)新創(chuàng)作設(shè)計電子電路的能力。 本文以Proteus 助力模擬電子技術(shù)課程教學(xué)為例，論述現(xiàn)代虛擬仿真實驗平臺對高職電子類課程教學(xué)的重要性。

3 虛擬仿真實驗平臺對電子類課程教學(xué)幫助

3.1 用于驗證理論計算公式，加深記憶

應(yīng)用虛擬仿真實驗平臺來驗證理論計算公式，可以讓學(xué)生對理論知識有比較深刻的印象[5]。 以Proteus提供的虛擬仿真實驗平臺來驗證橋式整流電路輸出電壓的理論計算公式為例。在虛擬仿真實驗平臺繪制橋式整流電路圖如圖1 所示，應(yīng)用平臺提供的虛擬的電壓表來測量并顯示電路的輸入、輸出電壓，從而驗證了理論計算公式，如式（1）所示。

式中，UA為橋式整流電路的輸出電壓平均值；uo為橋式整流電路的輸出的脈動信號電壓；Ui為橋式整流電路的輸入電壓。

圖1 橋式整流電路圖

3.2 用于調(diào)整電路參數(shù)，深入理解

為了讓學(xué)生深入理解某個電子元件對電路的作用，在演示虛擬仿真實驗過程中，適當(dāng)調(diào)整電子元件的參數(shù)，讓學(xué)生觀察電路仿真結(jié)果的變化[5]。以調(diào)整電容濾波電路的參數(shù)為例，基于電解電容的濾波電路如圖2 所示。 在仿真實驗演示過程中，調(diào)整電解電容的參數(shù)，給學(xué)生展示電路仿真的結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行比較分析，啟發(fā)學(xué)生思考問題，讓學(xué)生深入理解電容濾波的概念。

圖2 電容濾波電路的仿真

圖3 調(diào)整Cx 參數(shù)的濾波效果對比圖

3.3 用于分析電路的節(jié)點電流，理清電路的脈絡(luò)

圖4 穩(wěn)壓電路

在講解電路原理的時候，利用虛擬電流表測量支路電流，能快速對節(jié)點電流進(jìn)行詳細(xì)的分析，理清電路的脈絡(luò)，有助于理解整個電路原理。 在圖4 所示的穩(wěn)壓電路里，串聯(lián)了3 個虛擬電流表來分析節(jié)點A 的三個支路電流關(guān)系。通過讀出電流表的測量值能直觀地判斷節(jié)點A 的三個支路的電流方向，并理清了三個支路電流的關(guān)系。

3.4 應(yīng)用于分析微觀的工作原理，增加學(xué)習(xí)信心

在教學(xué)過程中，可以應(yīng)用虛擬仿真實驗平臺對復(fù)雜電子元件進(jìn)行分析，將微觀的原理宏觀化，增加學(xué)生對課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)信心。 在分析三極管輸出特性時，建立仿真電路如圖5 所示，在三極管的基極放置虛擬恒流源并命名為IB，在集電極放置虛擬恒壓源并命名為UCE，調(diào)節(jié)IB 及UCE 的大小，記錄集電極電流IC 的數(shù)值，然后在數(shù)據(jù)中找出規(guī)律，總結(jié)IB、UC 及IC 三者的關(guān)系。將復(fù)雜的三極管的輸出特性微觀原理轉(zhuǎn)化成宏觀化的數(shù)據(jù)分析，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)信心。

圖5 三極管輸出特性測試仿真電路

3.5 應(yīng)用于將類同的電路進(jìn)行對比，橫向拓展知識點

在講解類同的電路時，可以使用虛擬仿真實驗平臺將類同電路的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，來橫向拓展知識點。例如，采用Proteus 虛擬仿真實驗平臺中的INTERACTIVE 分析儀對圖6 所示同相、反相比例運算電路的輸入電壓信號及兩個輸出電壓信號進(jìn)行對比分析。

圖6 同相、反相比例運算電路

3.6 用于創(chuàng)新創(chuàng)作設(shè)計，鍛煉創(chuàng)新能力

創(chuàng)新是發(fā)展的第一動力。現(xiàn)代高職教育需要為學(xué)生提供良好的創(chuàng)新創(chuàng)作條件，具體的課程教學(xué)需要以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)作能力作為重要的教學(xué)目標(biāo)。電子類課程教學(xué)可以利用靈活性、可重復(fù)使用性較好的虛擬仿真實驗平臺來鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)作能力。使用虛擬仿真實驗平臺，學(xué)生可以脫離固定實驗場所及電子元件等實物耗材的束縛，靈活應(yīng)用專業(yè)知識進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)作設(shè)計。