巧用虚拟实验技术解决教学难点——以“电子线路分析与应用”课程教学为例

姜树杰

(天津冶金职业技术学院 电气工程系, 天津　300400)



巧用虚拟实验技术解决教学难点——以“电子线路分析与应用”课程教学为例

姜树杰

(天津冶金职业技术学院 电气工程系, 天津300400)

以“电子线路分析与应用”课程实验教学中放大电路通频带的观测、正弦波振荡电路的参数设置对电路起振的影响、数字电路译码和显示实验为例,说明将虚拟实验技术引入课堂教学和实验教学,能较好地解决教学中的难点,在帮助学生理解抽象理论、提高学习效率、增强实践技能、提升学习兴趣、活跃课堂气氛、突破教学难点等诸多方面十分有益。

虚拟实验； 电子线路分析；教学法

“电子线路分析与应用”是电子、电气类专业的学生最早接触的一门专业性强、较为抽象,因而学习难度较大的专业核心课程,通过该课程的学习,旨在培养学生分析、应用、设计电子线路的能力[1]。但在实际教学过程中,受课程本身性质(内容繁杂、微观抽象等)及教学方法和教学手段所限,教与学都存在一定的困难。因此,创新教学手段、巧用虚拟实验技术辅助教学,将抽象的理论和特性分析具象化、图像化,既能循序渐进地解决好学生在该课程学习中所遇到的困难,也能更好地抓住重点,对培养学生的学习兴趣、提高学生的专业技术素养和创新能力有很大的帮助[2]。

1　虚拟实验

虚拟实验是随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展而出现的,因其实验操作的交互性和实验结果的仿真性而被广泛应用。虚拟仪器是计算机技术与电子仪器结合而成的一种新型仪器模式,它利用软件程序呈现各种仪器面板及操作,能够实现数据的处理、存储、传送、显示等功能[3]。

Multisim是Electronics Workbench(EWB)的扩展和升级版,是一款优秀的电子技术仿真工具,能完成电路原理图的创建、参数测试、仿真运行、结果显示等[4],换言之,它所提供的虚拟仪器和情境可以仿真和再现实际电路的运行情况。由于仿真元器件的外形、虚拟仪器的控制面板和操作等都遵循与实际物体相似的原则,所以虚拟实验的完成过程对帮助学生了解电子元器件的特性及参数、理解电路原理以及组装、使用仪器仪表有良好的作用[5]。

2　虚拟实验在解决教学难点中的应用

“电子线路分析与应用”课程教学围绕电子器件展开,目的是使学生能设计不同功能的电子线路并在实践中应用。电子元器件和集成电路的特性、电子线路的设计和功能测试、元器件及参数变化对电路功能和工作状态的影响是教学中的重点和难点。利用Multisim仿真系统对电路进行动态和稳态分析,可有效、直观地进行难点释疑,显著提高学习效率[6]。

2.1放大电路通频带的观测

通频带即放大电路的幅频特性,用于评价放大电路对于不同频率信号的放大能力,它能从一个侧面反映放大电路对不同频率信号的适应程度,是小信号放大器的一个重要指标。在现实实验情境中,学生需要在保持输入信号幅值不变的前提下,不断改变输入信号的频率并反复测量输出电压、计算放大倍数以及按顺序列表记录,最后将所测数据逐点描绘。尽管过程繁琐,但也只能大致了解信号频率过低或过高时放大倍数的降低趋势,无法完整地测算和描绘幅频特性(通频带),实验效果难尽如人意。

应用虚拟实验技术,通过虚拟仪器扫频仪则能非常方便、直观地将幅频特性、幅频特性的上限截止频率和下限截止频率完整呈现。在放大电路中,常引入负反馈来改善放大电路的性能。负反馈能够改善非线性失真、扩展通频带。虚拟实验技术可直观地通过比较反馈前后的输出波形、放大倍数、通频带变化等,增加感性认识,降低了学生理解知识要点的难度。负反馈通过牺牲放大倍数而换来其他方面性能改善的结论,也通过虚拟仿真而一目了然。图1所示为观测通频带的虚拟仪器和引入负反馈前后通频带的变化比较,现实观测实验结果比单纯的理论分析更具说服力[7]。

图1　虚拟仪器和放大电路引入负反馈前后的放大倍数和通频带变化比较

2.2正弦波振荡电路的参数设置对电路起振的影响

正弦波振荡电路的起振需要有满足振荡的条件。以RC文氏电桥振荡电路为例,为实现振荡和改善输出波形、减少失真,电路的正反馈系数F+、负反馈系数F-必须严格遵守起振条件,即F-<1/3(因为F+=1/3)。现实情境中的示波器只能观测振荡电路是否起振了；而虚拟示波器则能直观地显示起振过程、电路参数改变对起振过程及输出波形的影响(见图2)。学生通过观察生动、有趣的起振过程,既体验到电路设计的关键点所在,又加深了对起振条件和选频、放大、正反馈环节对振荡作用的理解,并通过电路参数的改变找寻既能满足起振条件、又能改善失真的最佳值并将其付诸实际。虚拟实验仿真、直观、贴近实际的氛围,使学生自始至终保持着浓厚的学习兴趣和探究精神,化学习难点于轻松的仿真操作之中,相对于抽象、单纯的讲解,在知识的理解和应用上有质的飞跃[8]。

图2　负反馈参数不同对正弦波振荡器起振过程和输出波形的影响

2.3数字电路译码和显示

数字集成逻辑部件的应用在“电子线路分析与应用”课程教学中占有重要的地位。数字集成电路种类繁多、功能多样,而编码、译码及显示承担着人机对话的重要作用,在数字电路的实际应用中必不可少。

以CD4511为例,CD4511是一个用于驱动共阴极LED显示器的BCD码—七段译码器。将BCD码译码并通过7个发光二极管按十进制数显示的过程是教学中的难点,而进行虚拟实验则能很好地理解这一教学难点。

在虚拟情境中搭接的仿真电路如图3所示。将BCD码接入CD4511的译码输入端(BCD码接入CD4511的同时与显示译码器相连),将输出端分别接入7个指示灯a、b、c、d、e、f、g,用于代表7段LED显示。按设计思想,7个指示灯随输入BCD码的变化其发光与否的不同,来显示BCD码所代表的十进制数。显示译码器显示的数字也进一步佐证了其译码显示的正确性(见图3)。在图3中,输入BCD码0011经CD4511译码输出后,7个发光二极管中e、f不亮，其余都能亮,这样的结果就把0011所代表的3呈现在显示器上,实现了译码和显示[9]。

在数字逻辑电路的教学中,必须让学生理解“使能端”的作用和重要性,如CD4511的3、4、5脚。在虚拟情境下,3、4、5脚电位的高低对译码显示电路的控制作用(消隐、测试、锁定保持)都能很直观地一一呈现,对学生理解和记忆“使能端”帮助很大。

3　虚拟实验与真实实验互补

高等职业教育强调以就业为导向,以培养学生的职业能力为根本。因此,必须高度重视实践教学在应用型、技能型人才培养中的作用。“教-学-做”一体化是促进理论和实践更好衔接的一种教学模式,但这种教学模式的实施需要教室和实训室一体化的硬件支撑。受资金短缺、实验室及实验工位不足、实验设备及器件的完好率不高等现实条件所限,走出教室，到实验室、实习车间、实训基地去授课还只是美好的愿景。

图3　CD4511译码和显示

虚拟实验技术的应用打破了传统的先理论后实验的时间差模式(用相当多的时间帮助学生复习要点,学生动手操作的时间被压缩),将虚拟实验室(设备齐全、器件丰富完好)带进课堂,既实现了理论和实践的同步,又在帮助学生理解抽象理论、提升学习兴趣、活跃课堂气氛、突破教学难点等诸多方面十分有益[10]。

在实验教学中采用虚拟实验技术,虽然有节约成本、维护简单、资源丰富、方便学生自主学习等优点,但它仅作为辅助教学和丰富实验教学的手段,而完全依赖虚拟实验替代实物教学和生产实习是不可取的。因为,虽然虚拟实验已非常形象、直观,但和真实环境下的实际操作差别还是很大的。在现实中,学生用虚拟软件操作实验得心应手,而面对真实的实验设备表现出一筹莫展,就是二者之间本质区别的例证。所以,在“电子线路分析与应用”课程教学中应用虚拟实验技术,一定不要忘记带领学生从虚拟环境中回到现实,在真实情境中去面对和分析出现的问题,在解决问题的过程中提高实验操作能力、积累实验方面的心得和经验,并把它们应用在指导虚拟实验上,使之相辅相成、相互弥补[11-12]。

4　结语

“电子线路分析与应用”的学习只有理论联系实际,才能收到好的效果。虚拟实验技术辅助教学和实验的开展,创新了教学模式,拓展了学生的实践空间,突出了以学生为本的教育理念,对学生独立思考和创新意识的培养奠定了良好的基础。

References)

[1] 樊洪雷.谈任务驱动教学法用于电子技术教学的效果[J].技术物理教学,2013(4):70-71.

[2] 高勇.浅析职业院校电子技术专业的课程教学改革[J].中国科教创新导刊,2012(5):174.

[3] 张烽,吴先球,谢海梅.基于虚拟仪器的数字电路仿真实验平台[J].汕头大学学报:自然科学版,2012(11):68-74.

[4] 阮武林.基于EWB的电子技术教学有效性[J].新课程,2010(8):6-7.

[5] 冼凯仪.虚拟电子实验台在电工电子技术实验教学中应用[J].广东工业大学学报,2001(2):44-48.

[6] 田建艳,夏路易.EDA支持下的电子技术教学实践[J].教育理论与实践:学科版,2005(6):54-55.

[7] 涂水林,王燚.运用虚拟仿真技术解决模拟电子技术教学中的难点问题[J].中国现代教育装备,2009(13):77-78.

[8] 杨杰.关于电子技术仿真实验技术的开发研究[J].宿州教育学院学报,2003(2):77-79.

[9] 孙津平.数字电路中显示译码器设计的分析与研究[J].现代电子技术,2011(11):189-191.

[10] 李菲.传感器实验教学模式的探索与改革[J].中国现代教育装备,2014(1):75-76.

[11] 李玉娜.高校实训教学探讨:以电子技术创新实训为例[J].广东技术师范学院学报,2010(4):61-62.

[12] 武英.应用型人才培养下模拟电子技术教学改革与探索[J].教育教学论坛,2015(5):137-138.

Using virtual experimental technique to resolve teaching difficulties: Taking teaching of Electronic Circuit Analysis course as an example

Jiang Shujie

(Electrical Engineering Department, Tianjin Metallurgical Vocation-Technology Institute, Tianjin 300400,China)

The introduction of virtual technology into the classroom can make the abstract theory and characteristics analysis intuitive. It promotes the integration of theory and practice and helps students understand abstract theories, and improves learning efficiency, enhances practical skills and increases the study interests. It can help active classroom atmosphere and breakthrough teaching difficulty.

virtual experiment； electronic circuit analysis; teaching method

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.028

2015- 11- 02

姜树杰(1964—),男,天津,硕士,副教授,主要从事控制理论、控制工程及电子技术应用教学及研究.

E-mail：13920598579@139.com

G642.4

B

1002-4956(2016)4- 0100- 03

虚拟仿真技术探索与实践