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责任编辑:刘昆山

  [摘要]随着计算机技术飞速发展,电路可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成设计,用计算机仿真代替了大包大揽的试验电路,大大减轻验证阶段的工作量,其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性,为电子专业教学创设了良好的平台,极大地激发了学生的学习兴趣,能够突出教学重点、突破教学难点,并能保存仿真中产生的各种数据,为整机检测提供参考数据,还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数,采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化。


  [关键词] 虚拟仿真; MultiSIM; Protel 99SE; 教学


  传统型电子专业课教学,大都采用课堂讲授法和实验教学法,在教学过程中只有把二者有机地结合起来,才能获得较理想的教学效果。对于一些实验条件较差的学校,特别是一些中等职业学校,由于缺少实验仪器,导致相当数量的实验,只能在“黑板”上或“书本”上进行,缺少教学的互动性环节,直接影响教学效果。传统型电子专业课教学重点在于传授教材上的理论知识,并通过实验内容来验证理论知识,而学生在学习过程中完全受教师和教材的束缚,缺少创新和学以致用的能力。


  教学中时常为了验证某些电路的功能而焊接一块试验板或在面包板上搭接电路,采用简化的电路和器件模型估算电路的特性,通过测试仪器进行分析和判断,既耗资、耗时又耗力,而且还受硬件设备的制约,测量精度差。随着计算机技术的飞速发展,某些类型的电路可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成电路设计。用计算机仿真代替了大包大揽的试验电路,可以大大减轻验证阶段的工作量,其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性,为电子专业教学创设了良好的平台,极大地激发了学生的学习兴趣,突出教学重点、突破教学难点,并能保存仿真中产生的各种数据,为整机检测提供参考数据,还保存了大量单元电路、元器件的模型参数。这种既能满足学生的感观要求,又能满足实际教学的仿真技术,在电子专业教学当中显得格外重要。


  仿真虚拟实验是在计算机上虚拟出一个元器件种类齐备、先进的电子工作台,是目前国内最流行的通用电子设计自动化(EDA)软件组成中的一部分,是在电路模型上所进行的系统性能分析与研究的方法。它一方面可以克服了实验室各种条件的限制,另一方面又可以针对不同目的实验(验证、测试、设计、纠错和创新等)进行训练,培养学生分析、应用和创新的能力。与传统的实验方式相比,采用电子工作台进行电子线路的分析和设计,突出了实验教学以学生为中心的开放模式。不仅实验效率得到了提高,还能使学生熟练地使用仪器并正确掌握的测量方法。


  MultiSIM是一种形象化的虚拟仪器电路仿真软件。利用MultiSIM仿真软件制作的多媒体教学资料,不仅有利于提高电子专业的教学效果,更有利于学生对电子专业技能的掌握。充分利用MultiSIM等软件平台丰富的现有资源,直接在计算机上构建电路,是进行仿真实验最方便快捷和富有成效的路径。大大提高了课堂教学的效率,使课堂教学内容变得更加充实,把课堂教学以教师讲授为主的模式,改为了师生互动,使学生从被动接受转变成了主动学习。


  在电子专业教学中,教师普遍都需要展示电路图和波形图。但由于受示波器性能和实验器材的限制,很难清楚地显示电路的各种电学状态,也无法将仪器屏幕上显示的图线保存和打印出来,于是很多教师就用如Windows中的“画图”工具绘制电路图和数据图线,以应急需。但是这些人工绘制的图线并不包含真正的电学意义,更无法实现交互式工作,也就是说,不可能临时改变电路数据而得到新的图线。这种教学方法显然缺乏说服力,从传授科学思想和方法的角度来看也是不可取的。现在,用虚拟电路仿真软件不仅可以轻松地解决上述难题,还可为多媒体教学提供教学素材。


  通过仿真虚拟仪器可以帮助学生了解电子仪器的作用,深入理解电子测量的方法,掌握测量的技术要领。MultiSIM 虚拟仪器软件不同于其他仿真软件,仪器和元件基本上不需要设置参数,软件本身也不提供设置参数功能,属于理想的模型。这样的设计降低了作为一个高级仿真软件的部分功能,同时带来了使用方便。


  虚拟仿真实验能有效地解决传统实验教学中存在的问题:


  1) 有利于缓解经费紧张的状况。


  计算机仿真实验软件提供了高指标的虚拟仪器和充足的虚拟元器件资源。例如:在利用Protel 99SE中进行虚拟实验执行仿真时,只需简单地从仿真元件库中调用虚拟元器件并联接成具有实物功能的电路,再接上虚拟电源和从仪器库中调出的虚拟仪器,接通虚拟开关即可自动开始仿真,就可以进行与实物实验一样的测试分析。由于虚拟实验的引入,可以节省购置元器件和仪器设备的大量经费,弥补了因实验仪器缺乏和实验经费不足而造成的缺憾。


  2) 可以实现许多实验中不能实现或难以实现的功能。


  虚拟仿真能在各种假定的条件下,甚至是在目前无法实现的条件下,对电路进行研究。如:不管是考虑安全因素还是成本,实验室里都不宜做的破坏性实验,但虚拟仿真却可以做,甚至可以做各种故障和非正常性的实验。在研究一个电路方案初期,可以将影响电路的一些次要因素去掉,如杂散电容、漏电感等,以免它们对电路的基本原理和性能产生影响,从而混淆了对电路的正确理解,但在制作一个实际电路中却做不到这一点。


  3) 有利于实验教学和设施利用。


  在传统实验中,需要很多仪器设备,占用空间多,实验接线多,调试不方便,读数误差大,实验时间长,生成实验报告麻烦。虚拟仿真实验的引入,学生不会因接线出错而造成短路事故,不会因误操作而造成人员或仪器设备损伤,不会发生实验室内常见的故障:如示波器只有单个通道正常;信号发生器产生波形失真;万用表电池不足;测电阻读数不准等。学生可以利用直流工作点分析、交流分析和瞬态分析等分析工具,及时处理数据,观察和分析实验结果,大大地缩短实验时间。


  虚拟仿真电路中学生可以任意设置故障。如:电容开路、三极管极间短路或开路、电路连线虚接等等,既避免了拆装实验箱、多次拆卸元器件,造成器件和印刷电路板的损坏,又可以观察在不同故障下电路工作状态。这样边修改,边测试,边分析,可以提高学生的实验兴趣和实验效果,培养他们排除故障的能力。


  虚拟仿真实验的引入突破了实验时间和空间的限制。学生不必局限于实验时间,可以根据自己的兴趣爱好选择实验内容,利用电脑进行实验,增强学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。


  4)有利于培养学生创造性思维。


  在学习过程中,学生是主体,教师是外因。学生学习的主动性和积极性是学习的内因,教师只有想方设法让内因起作用,才可能达到良好的教学效果。但在实际实验过程中,常常受到元器件的限制和固定的实验设备束缚而改变实验设计思路,也不可避免地存在许多错误与不足,致使电路调试费时费力,甚至会引起元器件和设备损坏等问题,导致实验不能达到预期效果。虚拟仿真实验的引入,不仅可以充分对数据采集、储存、分析、处理、传输及控制,对方案进行论证、选定和设计,而且可以随时改变电阻的阻值、电容的容量、晶体管及集成电路的型号参数等来调整电路,使之更加合乎要求,得出较为理想的电路;可以巩固和拓展学生所学的基本理论和专业知识,培养学生综合应用、独立分析和解决实际问题的能力,培养学生的创新意识和创新能力。


  在教学过程中,实施虚拟仿真软件教学,可以激发学生的学习兴趣,变被动学习为主动;实施虚拟仿真软件教学,不仅丰富了教师的教学手段,更有利于学生获取新知识并对学生应用新知识的能力培养。因此,掌握使用现代计算机仿真软件技术,将会对电子专业课教学产生积极的影响。   


  参考资料:


  Protel 99SE电路设计技术入门与应用 李东生 张勇 许四毛 编著


  电子线路辅助设计Protel 99SE 王廷才 主编


  MultiSIM 虚拟仪器软件使用

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