基于虚拟仿真技术的“理虚实”一体化教学研究

翟丽，陆运华

(洋浦经济开发区高级技工学校，海南洋浦，578101)

1 中职电类专业理实一体化教学的现状分析

1.1 生源现状

在当前升学热的刺激下，一方面广大公、民办普通高中迅速扩招，另一方面中职学校毕业生的就业质量受培养质量的限制还不是很理想。以上两方面的原因致使当前很多中职学校生源严重不足，很多学校连教育主管部门下达的招生计划都无法完成，就更别奢谈生源质量了。

在生源质量和数量均无法保证的办学背景下，中职电工电子类专业的课程对学生来讲又普遍具有较高的数理分析要求，这样的一对突出矛盾更加加剧了中职电工电子类学生的厌学情绪。教学过程中普遍存在原理讲不通、学不懂，实践操作无条理，依样画葫芦和盲目操作的现状。教学效果远达不到要求。更有甚者还出现了学生厌学、教师厌教的恶性循环，课堂生态实在令人堪忧。

1.2 教学环境现状

诸多中职学校虽也引入了理实一体化教学模式，以期改善课堂教学生态、提高教育教学效果，但在真正实施过程中很多学校受到设备不足、设备老旧、耗材成本高等诸多因素制约，具体体现如下。

设备台套数不足：电工电子类专业教学设备种类繁多，价格比较昂贵，在一些落后地区，很难配备种类齐全、数量充足的各式各类教学仪器设备，这使教学开展十分困难，甚至有的实验实训根本无法开出，部分学生直到毕业都不会操作使用一些高端精密仪器设备。

设备老旧：很多学校以为设备一投入就一劳永逸了，学校教学设备老旧跟不上技术发展是个普遍问题，也是一个长期存在的问题。由于成本原因，教学设备不可能做到频繁更新换代，更有甚者是现有设备很多年久失修，处于瘫痪半瘫痪状态，处于有效使用。这就导致了很多实训内容无法实现，学生培养质量难以满足社会实际需要。

耗材成本高：在诸如电子产品设计装调等实训实验课中，由于学生首次接触、不熟练等原因，往往会导致大量元件器材被浪费。

基于中职学校电类专业的上述实训教学现状，通过我们在实践中的摸打滚爬，觉得非常有必要引入一种虚拟仿真技术来弥补常规教学中的不足，以期达到理→虚→实结合、互为融通的良好教学课堂生态。

2 虚拟仿真技术的发展现状与优势

近年来，随着信息技术与学科教育的高度融合，各类电学仿真软件也呈百花齐放百家争鸣之态势，著名的就有美国NI公司的Circuit Design Suite14套件（内含基于Spice内核的multisim14板级板级仿真软件和ultiboard制版软件），英国New Wave Concepts公司的电子电路仿真设计四 件 套（Bright Spark、LiveWire、PCBWizard、Control Studio），匈牙利DesignsoftInc.公司的Edison立体声光实验室，英国Lab Center Electronics公司的Proteus，国产的CAD_eSIMU、宇龙机电控制仿真软件，还有三菱、西门子等PLC的仿真软件，其擅长领域各有千秋。如Multisim、BrightSpark、Edison等软件就擅长电子电路仿真，Proteus软件擅长电子电路和单片机程序仿真，CAD-eSIM、宇龙机电控制仿真软件就擅长继电接触器控制电路仿真，PLC仿真软件则擅长挺行图程序逻辑仿真。

这些软件虽然各自擅长的领域不同，但他们都有以下共同的特点：①界面呈现生动直观、视觉冲击感强烈，符合学生的认知规律和水平；②内核建模精确、仿真结果非常逼近实际结果；③仿真操作具有很强的交互性、用户沉浸体验感很好；④共享性能好、非常符合时下流行的线上线下混合式教学理念，有利于突破实验实训教学的时空限制；⑤软件操作界面友好，容易上手。

基于虚拟仿真软件的以上诸多优点，使得其在教育教学和生产领域得以迅速的普及，现在很多的职业院校都将其作为电类专业课程教学和实验的一种不可或缺辅助手段，也不失为工程技术人员研发生产的有力助手。

针对目前电类专业教学现状存在种种不足，虚拟仿真技术展现出来的优势又恰好能很好地弥补这些不足，二者自然一拍即合。那么如何将二者很好地结合起来呢？我们认为可以整合理（论）、虚（拟）、实（践）资源，构建“理虚实一体化”新型教学模式。

3 基于虚拟仿真软件的理虚实一体化课堂教学案例解析

接下来我们就分别以New Wave Concepts公司的电子电路仿真设计四件套中的Bright Spark和PCB Wizard两个软件来介绍在中职学校电子技术基础课程“理实一体化”教学中的典型应用为例，来阐述虚拟仿真软件在中职“理虚实一体化”课堂教学中的独特优势。

Bright Spark是一个非常有趣的电路模拟软件，广大电子爱好者、初学者可以借助其探索神秘的电子世界。初学者只需结合电脑屏幕上的动画和真实的模拟结果来帮助我们理解和遨游深奥的电子世界。

它不需要你具有深厚的专业基础知识，软件包自身内置的课件可以帮助初学者学习电子学背后的关键原理。同时，你还可以继续使用该软件中包含的大量元器件和仪表来搭建你自己的专属电路，并调节测试它，观测电路运行结果，验证电路原理。

PCB Wizard 3是制作PCB电路板高度创新的软件包。通过强大的设计工具和友好的用户界面提供无与伦比的生产力，因此PCB Wizard 3是您电子产品线路设计项目工作的理想选择。此外，它还与Bright Spark、Control Studio 2和Livewire能实现无缝集成，PCB Wizard 3在世界各地已拥有超过20,000名注册用户，足以说明其影响力之大。

所谓一图胜千言，下面我们就按图索骥地进行电路的仿真和设计工作，如图1所示。

起动Bright Spark软件，其界面非常的友好清新，我们在初始界面中通过第①或第②方式即可轻松打开电路设计工作窗口（如图1“中图”所示），设计者只需从软件自带的元件、仪器库中按需调取搭建电路所需的元件和仪表，合理布局在电路设计工作窗口中，然后按着电路工作原理正确连接电路（只需用鼠标移至元件或仪器的端子点击即可绘制导线，按住不放拖拽至下一元件端子即可完成两元件之间的导线连线）。连接完所有电路之后，点击工具栏上的运行按钮即可开始电路模拟仿真工作过程。

图1 Bright Spark界面及其仿真进程

图1的“中图”是桥式整流电路的正半周仿真实际状态，当变压器二次侧的电压瞬时极性为上“＋”下“-”时（由于变压器初、次级的同名端为上、下端对应，此时输入交流电源为负半周），整流桥中两对臂上的二极管V1、V4导通，负载上的电流自负载的上端流向下端，发光二极管LED2导通工作、LED2截至不工作，而二极管V2、V3由于承受反偏电压而截至，从示波器的观测窗口也能测量到与之一致的效果（红色波形为CH1通道所测变压器二次侧正负交替变化的交流电波形，蓝色波形为负载两端极性单一的脉动直流电波形）。

图1的“下图”是桥式整流电路的负半周仿真实际状态，当变压器二次侧的电压瞬时极性为上“-”下“＋”时（由于变压器初、次级的同名端为上、下端对应，此时输入交流电源为正半周），整流桥中两对臂上的二极管V2、V3导通，负载上的电流仍是自负载的上端流向下端，发光二极管LED2导通工作、LED2截至不工作，而二极管V1、V4由于承受反偏电压而截至。二极管V1、V4和V2、V3如此轮流交替导通，将输入正负极性交替变化的正弦交流电整流为极性单一（始终在X轴的正半周）的脉动直流电，从而完成对交流电的整流。

同时，我们通过调节负载回路中的电位器PT的阻值，可以非常直观地看到负载LED2在串联不同阻值的电阻的时候，其明亮程度不一样，当然我们也可以借助Bright Spark中的直流电流来更为精确的测量PT阻值变化时负载中的电流数值。

以上工作过程也可以直观地从仿真画面上二极管V1～V4的开、断情况和示波器所测输入/输出波形图观察到，非常符合中职学生（或初学者）的认知规律和认知水平。

接下来我们在如图1“上图”所示的Bright Spark窗口中依次的单击“File”→“Convert to PCB…”下拉菜单，即可一键打开与之配套的PCB Wizard软件进行PCB线路板的布线工作，具体如图2所示。PCBWizard在完成飞线布局之后会弹出“自动布线完成，100%的网络连接被成功地布线了”的提示对话框，点击“OK”按钮即可生成图2“下左图”所示的敷铜电路板图，图2“下右图”为三维实物安装图。

从图2可以看出，在Bright Spark中一键启动PCB Wizard并生成合格PCB印制电路板图可谓是一气呵成。我们只需将最终的印制板图送至印制电路板生产厂家或者自己在实验室用热转印法转印到覆铜板上，再用蚀刻剂腐蚀的方法即可制作出一款成功的印制电路板，最后按仿真电路原理图将元器件装配焊接到印制电路板上，一款合格的桥式整流电路即可大功告成。高效高质地完成从电路的仿真设计→一键生成PCB→焊接装配成型产品→调试运行，实现从原理验证到产品制作一整套完整的设计生产流程，真正实现了“理→虚→实一体化”实验（实训）过程。

图2 一键启动PCB Wizard 自动布线流程图

4 结语

在电子类实验教学中引入一些易学好用、直观形象、视觉冲击感强烈的虚拟仿真软件，是未来电子类实验教学发展的必然趋势，它不仅符合信息化媒体时代成长起来的这代学生的认知规律和认知水平，有效降低学科认知难度，激发学生的学习兴趣，提高学生实验（实训）的参与度与沉浸感、获得感，极大改善课堂生态和效率。而且可有效弥补传统实验（实训）中看不到、进不去、成本高、危险性大等不利因素的影响。

将虚拟仿真软件和课堂教学有效融合不仅能减少实验耗材的损耗并延长实验设备的更换周期，大大降低经济欠发达地区职业院校的办学成本。而且还能有效提高学生的动手实践能力、工程设计能力与创新思维能力，为社会主义新时代培养更多合格的创新型应用技术人才提供智力支持。

虚拟仿真软件与技术教学的结合使得实验（实训）课不仅仅局限于传统实验课中的定理验证与教材实验项目之内的实验，而是把实验与工程实践应用能力高度结合起来，把理论教学、虚拟实验与工程实践三位一体、有机融合，使得我们的实验课不再是局限于学校实验室和课堂，而是将实验教学的时间延伸至课外、空间延伸至校外，从而实现“理虚实一体化”实训课课上、课下，线上、线下的高度混合式学习，学生只要有灵感就可随时随地开展自己的创意设计实践，不再受时间和空间的限制。