EWB仿真软件在电类基础课程中的教学研究与实践

海军大连舰艇学院基础部 李 玲 周 波 赵冬梅 郭 姣

0 引言

“电路分析基础”和“电子技术基础”是我国高等院校教育中最基础的两门电类课程，是工程技术类专业学员入校以来最先接触的两门专业基础课，也是后续相关专业课程学习的基础[1]。该类课程概念定理多、内容丰富复杂，又与实际联系紧密，历来是学员比较畏惧的学科。因此，在有限的课堂教学时间内尽可能的帮助学员理解教学内容，培养学员的工程实践能力和自主学习能力是每一名教员的职责所在。

现行的电类基础课程教学模式存在的最大问题是理论教学与实验教学脱节[2]。教员在课堂上更加注重于理论知识的传授，学员无法真实感受到电路的可实现性，更无法判断理论分析方案的正确性；而实验教学通常在完成一定教学任务之后再做安排，学员在听理论课时由于不能及时与实际联系上，对理论难以理解，形成对电类课程“抽象、难学”的思想障碍，从而失去学习的信心；同时，由于实验教学的滞后，学员对教学内容的感性认识已被延迟，对于某个学习内容起初产生的兴趣也会随着时间的推移逐渐消失[2]。针对此问题，笔者在对比多种仿真软件的基础上提出在电类基础课程教学中广泛应用(Electronics Workbench,EWB)软件，以便学员能够及时深刻理解所学知识。

1 主流电子电路仿真软件对比

自20世纪60年代电子设计自动化(Electronics Design Automation,EDA)技术诞生以来，电子工程师们就一直在积极探索具有电路设计和仿真功能的软件，Matlab、Proteus、EWB等各种仿真软件层出不穷[3]。如今，电子电路仿真技术已是每名相关专业学习者和工作者必须掌握的技术之一，为了能够在课堂教学中选择最便于教员教学和学员学习的仿真软件，需要对各类软件做详细分析。表1给出了几款主流电子电路仿真软件的优缺点。

经过对上述几款软件的性能对比发现：Matlab、Cadence、Proteus和Multism这四款软件功能都比较齐全，但存在的问题是软件操作复杂且体积较大，比较适用于已具备一定电子电路基础的相关人员使用。而Tina和EWB这两款软件，虽然功能不很完善，但几乎可以对电学中所有基本定律和定理进行仿真和演示，并且工作界面非常简单，操作起来十分方便，特别适用于刚刚接触电子电路知识的初学者使用。另外，这两款软件的体积都很小，Tina仅有100M，安装起来毫不费力；而EWB更是只有20M，运行时无需安装，直接双击exe文件即可打开界面，因此尤其适合课堂教学和课余自主学习。

表1 主流电子电路仿真软件优缺点

2 EWB软件在电类基础课程中的教学实践

鉴于EWB仿真软件对于学习者和教学者的诸多优势，笔者所在教学小组在“电路分析基础”和“电子技术基础”这两门电路基础课的教学过程中尝试引入了EWB仿真，取得了较好的教学效果，现以“电子技术基础（模拟部分）”中“甲乙类互补对称功率放大电路[4]”一节为例进行详细论述。

2.1 仿真融入契机

在课堂教学中引入EWB仿真是为了理论联系实际，帮助学员理解教学内容，增加学员的学习兴趣，而恰如其分的融入EWB仿真正是取得授课效果的前提，因此，教员在授课之前应对教学过程进行精心的设计。

图1给出了“甲乙类互补对称功率放大电路”一节的详细教学流程设计，在整个授课过程中安排三次EWB仿真实验，第一次仿真安排在课程开始阶段，用于吸引学员注意，调动其学习兴趣，并通过仿真提出问题进入本次课的学习；第二次仿真安排在解决问题后的验证阶段，用于验证所实现电路是否解决已提出的问题，并通过仿真再次提出新的问题，培养学员发现问题、解决问题的探究式学习能力；第三次仿真安排在再次解决问题后的验证阶段，不仅可以验证所改进电路是否解决问题，还能增加学员的信服力，培养其理论联系实际能力。

图1 详细教学流程设计

2.2 仿真电路搭建

正确而直观的仿真电路是取得仿真效果的保障。对于简单电路的搭建可在课堂上现场完成，既可以吸引学员注意,增加其信服力，又可以使其潜移默化学习到软件的用法。由于课堂时间有限，较为复杂的电路可提前在备课过程中搭建并调试好，授课过程中主要分析电路运行的结果。如“甲乙类互补对称功率放大电路”一节授课内容较多，且所研究电路结构都很复杂，为节省课上时间，笔者在授课前已在EWB中搭建好甲类功放和乙类双电源互补对称功放这两个仿真电路，如图2(a)、(b)所示。而甲乙类双电源互补对称功放是在乙类双电源互补对称功放的基础上稍加改动得到的，因此可在课堂上现场进行改进。

图2 功率放大电路

2.3 仿真结果分析

仿真结果的正确与否关乎所授知识的正确性，更是解决问题的关键，因此教员要引领学员对仿真结果进行认真观察并详细分析。图3(a)、(b)、(c)给出了“甲乙类互补对称功率放大电路”一节中三个仿真实验的结果，图中上方波形均表示输入信号，下方波形均表示输出信号。

甲类功放的仿真结果如图3(a)所示，从图中可以明显看出，输出波形仅有正半周期，负半周期失真，故需对电路进行改进，经分析可补充一个仅输出负半周期的甲类功放，构成乙类双电源互补对称功放；从理论上分析此功放输出信号不失真，故对此电路进行EWB仿真验证，结果如图3(b)所示，输出波形正负半周期都有输出，但是却在正负半周期的交界处出现了失真，因此需再次分析原因并对电路进行改进；由于此次失真仅出现在正负半周期交界处，所以引导学员思考理论与实际的差别，找到产生失真的原因，最终通过在两个三极管基极之间加上两个二极管，抬高两个PN结之间的电压来解决此问题，即构成甲乙类双电源互补对称功放，最后再利用EWB验证得到如图3(c)所示的结果，输出波形与输入波形相比，无任何失真[4-5]。

图3 EWB仿真波形

2.4 教学实践结论

EWB仿真的适时引入，不仅吸引了学员注意，活跃了课堂气氛，而且提高了学员的学习兴趣，使课堂利用率得以很大提高。通过本次课的学习，学员对“甲类”、“乙类”及“甲乙类”等各种概念的理解特别到位，对“半波失真”和“交越失真”产生的原因及改进措施掌握尤其牢固，对三种功率放大电路的优缺点及相互之间的联系把握非常准确。

3 结束语

现代的世界是电子的世界，种类繁多的电子产品为我们的生活和工作带来了诸多便利和帮助。在课堂教学过程中适时引入小巧、便捷的EWB电子仿真软件，打破了死板、枯燥的理论教学模式，解决了理论与实验脱节问题，使学员变被动学习为主动探究式学习，既可以提高课堂授课效果，又可以培养学员的理论联系实际能力，激发他们的探索创新欲望，提高实际工程素养，同时还可以潜移默化的培养学员的逻辑思维能力和终身学习能力。