论现代虚拟仿真实验平台对高职电子类课程教学的重要性——以Proteus 助力模拟电子技术课程教学为例

陈 思 杨 伟

（佛山职业技术学院<机电工程学院>，广东 佛山 528137）

随着科学技术的发展，虚拟仿真实验平台的功能不断强大，运行稳定性越来越好，可操作性越来越强，且可重复使用性、灵活性较好。在新工科背景下，将前沿的科技技术融入高职教育中，将先进的虚拟仿真实验平台引入课程教学中，继续完善虚拟仿真实验室是现代高职教育改革的重要任务。电子类课程的教学内容抽象且前后关联性差，涉及的微观原理复杂，给高职教学带来较大难度。现代虚拟仿真实验平台对电子类的课程教学有着重要的作用。

1 在电子类课程教学中普遍遇到的困难与问题

1.1 课程内容抽象繁杂，涉及的原理复杂

电子类课程内容抽象繁杂，涉及很多抽象难懂的工作原理及定律[1]。 以模拟电子技术课程为例，涉及PN 结的工作原理、三极管的伏安特性、基尔霍夫电流定律和电压定律等抽象的知识点。 在教学中，如果对其中的原理及定律一带而过，难以让学生对课程知识有深刻的认知理解， 也难以让学生灵活应用专业知识。 仅凭PPT 课件去讲解抽象复杂的知识点，让学生凭空去想象， 容易导致学生课程内容产生恐惧的心理，失去学习兴趣。

1.2 实体实验难以贯穿教学全过程

现有的实体实验室由于还存在很多自身的缺陷和外部问题，往往难以充分满足现代的教学需求。 一方面，因为实体实验设备在反复使用的过程中容易遭到不同程度的损坏。 另一方面，随着电子技术发展进步， 新型电子元器件及电子电路不断涌现，但是由于更新成本较重等原因，现有实验设备难以得到及时的更新及补充。此外，课程课时有限，难以将耗时较长的实体实验贯穿整个教学过程，所以老师在做授课计划的时候不能安排过多的实体实验。

2 现代电子类虚拟仿真实验平台的优势

现代虚拟仿真实验平台能够很大限度地弥补实体实验平台的不足，对高职电子类课程教学具有重要的作用[2]。随着科技技术的发展，虚拟仿真实验平台的功能不断强大，运行稳定性越来越好，可操作性越来越强，且可重复使用性、灵活性较好，脱离固定实验场所及实体实验硬件条件的束缚，能够很大限度地弥补实体实验平台的不足[3]。 Proteus、Multisim 及Matlab 等软件提供的电子虚拟仿真实验平台具有面板操作方便、仿真逼真、提供多种激励源并集成了丰富的虚拟仪器仪表的优势。 在课堂教学中，可以通过虚拟仿真实验演示来讲解抽象复杂的工作原理，在仿真电路中测出电路参数来验证理论计算公式及定律。 在课后，学生可以利用虚拟仿真实验平台来巩固课程知识，锻炼自主思考和分析问题的能力，提高创新创作设计电子电路的能力。 本文以Proteus 助力模拟电子技术课程教学为例，论述现代虚拟仿真实验平台对高职电子类课程教学的重要性。

3 虚拟仿真实验平台对电子类课程教学帮助

3.1 用于验证理论计算公式，加深记忆

应用虚拟仿真实验平台来验证理论计算公式，可以让学生对理论知识有比较深刻的印象[5]。 以Proteus提供的虚拟仿真实验平台来验证桥式整流电路输出电压的理论计算公式为例。在虚拟仿真实验平台绘制桥式整流电路图如图1 所示，应用平台提供的虚拟的电压表来测量并显示电路的输入、输出电压，从而验证了理论计算公式，如式（1）所示。

式中，UA为桥式整流电路的输出电压平均值；uo为桥式整流电路的输出的脉动信号电压；Ui为桥式整流电路的输入电压。

图1 桥式整流电路图

3.2 用于调整电路参数，深入理解

为了让学生深入理解某个电子元件对电路的作用，在演示虚拟仿真实验过程中，适当调整电子元件的参数，让学生观察电路仿真结果的变化[5]。以调整电容滤波电路的参数为例，基于电解电容的滤波电路如图2 所示。 在仿真实验演示过程中，调整电解电容的参数，给学生展示电路仿真的结果，并对结果进行比较分析，启发学生思考问题，让学生深入理解电容滤波的概念。

图2 电容滤波电路的仿真

图3 调整Cx 参数的滤波效果对比图

3.3 用于分析电路的节点电流，理清电路的脉络

图4 稳压电路

在讲解电路原理的时候，利用虚拟电流表测量支路电流，能快速对节点电流进行详细的分析，理清电路的脉络，有助于理解整个电路原理。 在图4 所示的稳压电路里，串联了3 个虚拟电流表来分析节点A 的三个支路电流关系。通过读出电流表的测量值能直观地判断节点A 的三个支路的电流方向，并理清了三个支路电流的关系。

3.4 应用于分析微观的工作原理，增加学习信心

在教学过程中，可以应用虚拟仿真实验平台对复杂电子元件进行分析，将微观的原理宏观化，增加学生对课程内容的学习信心。 在分析三极管输出特性时，建立仿真电路如图5 所示，在三极管的基极放置虚拟恒流源并命名为IB，在集电极放置虚拟恒压源并命名为UCE，调节IB 及UCE 的大小，记录集电极电流IC 的数值，然后在数据中找出规律，总结IB、UC 及IC 三者的关系。将复杂的三极管的输出特性微观原理转化成宏观化的数据分析，增强学生的学习信心。

图5 三极管输出特性测试仿真电路

3.5 应用于将类同的电路进行对比，横向拓展知识点

在讲解类同的电路时，可以使用虚拟仿真实验平台将类同电路的仿真结果进行对比，来横向拓展知识点。例如，采用Proteus 虚拟仿真实验平台中的INTERACTIVE 分析仪对图6 所示同相、反相比例运算电路的输入电压信号及两个输出电压信号进行对比分析。

图6 同相、反相比例运算电路

3.6 用于创新创作设计，锻炼创新能力

创新是发展的第一动力。现代高职教育需要为学生提供良好的创新创作条件，具体的课程教学需要以培养学生的创新创作能力作为重要的教学目标。电子类课程教学可以利用灵活性、可重复使用性较好的虚拟仿真实验平台来锻炼学生的创新创作能力。使用虚拟仿真实验平台，学生可以脱离固定实验场所及电子元件等实物耗材的束缚，灵活应用专业知识进行创新创作设计。