EWB 教學(xué)與高職電子技術(shù)教學(xué)的融合

丁 燕，趙 鵬

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也逐漸發(fā)展起來，電子設(shè)計(jì)工作平臺(tái)或虛擬電子實(shí)驗(yàn)室Electronic Workbench（簡(jiǎn)稱EWB）也在此期間不斷地更新、升級(jí)。 EWB 仿真軟件能對(duì)電子技術(shù)中幾乎所有的基本電路進(jìn)行模擬仿真分析，因此被越來越多的學(xué)校引入到實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)中去。 但是，由于實(shí)習(xí)時(shí)間有限，且實(shí)習(xí)多安排在課程結(jié)束之后，因而就不能發(fā)揮EWB 應(yīng)有的作用。 如果能將EWB 仿真教學(xué)與電子技術(shù)課程的教學(xué)有機(jī)融合起來，無論對(duì)提高教學(xué)效果，還是對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，都能起到很好的促進(jìn)作用。

1 EWB 教學(xué)優(yōu)勢(shì)與高職電子技術(shù)教學(xué)的缺陷

1.1 目前高職院校電子技術(shù)教學(xué)的缺陷

目前，絕大多數(shù)高職院校電子技術(shù)類課程的教學(xué)仍然采用“教師傳遞→學(xué)生接受”的傳統(tǒng)教育教學(xué)模式，教師對(duì)教材中介紹的理論知識(shí)進(jìn)行講解、傳授，學(xué)生被動(dòng)地聽老師講解抽象的電路原理。 這種教學(xué)模式不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，一些學(xué)習(xí)習(xí)慣不好的學(xué)生就有可能會(huì)睡覺，或者做一些違反課堂紀(jì)律的事情。 這樣對(duì)整體的教學(xué)效果就會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，同時(shí)也會(huì)降低教師的教學(xué)成就感。

電子技術(shù)課程傳統(tǒng)的教學(xué)模式不能將理論與實(shí)踐很好地融合起來。 雖然高職院校電子技術(shù)教學(xué)中安排有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，但學(xué)生人數(shù)相對(duì)較多，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和學(xué)時(shí)有限，且都是為了驗(yàn)證理論知識(shí)，不能使學(xué)生在常用元器件的選用、命名、外形等方面得到相應(yīng)的鍛煉。 學(xué)生反映，學(xué)到的好像是一些彼此無關(guān)的基本電路圖，而不知道如何利用這些基本電路組裝一個(gè)實(shí)用電路，也不知道如何分析復(fù)雜電路中基本電路的作用，對(duì)新器件的使用也無從下手。這就造成了“學(xué)”與“用”的嚴(yán)重脫節(jié)。

從以上分析可以看出，目前電子技術(shù)課程的教學(xué)模式不利于培養(yǎng)、提高學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力和動(dòng)手能力。 若能將EWB 仿真教學(xué)與電子技術(shù)的教學(xué)過程有機(jī)融合起來，就可以在很大程度上解決上述問題。 這種教學(xué)方式不僅能提高課堂教學(xué)的情景化，增強(qiáng)教與學(xué)的直觀性、生動(dòng)性和形象性，而且有利于激發(fā)和保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)對(duì)鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和自主學(xué)習(xí)能力也有很大的幫助。

1.2 EWB 仿真軟件的教學(xué)優(yōu)勢(shì)

EWB 提供了虛擬實(shí)驗(yàn)和電路分析兩種仿真分析手段，幾乎能夠?qū)﹄娮蛹夹g(shù)課程（包括電路基礎(chǔ)、數(shù)字電路、模擬電路等等）中所有基本電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)、分析和設(shè)計(jì)。 它能夠提供電阻、電容、三極管、集成電路等幾千種元件；能夠提供示波器、萬用表、頻率特性儀等十幾種常用的電子儀器；它還具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能，可繪制出符合標(biāo)準(zhǔn)的電子圖紙；而且具有強(qiáng)大的波形顯示功能，并能將結(jié)果輕松放入各類文檔。 此外，EWB 還能觀測(cè)開路、短路、漏電和過載等實(shí)際無法或不便進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。 可以看出，EWB 功能強(qiáng)大，且交互性、可操作性強(qiáng)，富有真實(shí)感，與實(shí)際的儀器和元件相同，具有很大的教學(xué)優(yōu)勢(shì)。 學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以利用虛擬器件庫中豐富的實(shí)驗(yàn)器材，自由選擇儀器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行組合；通過屬性設(shè)置，觀察不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 學(xué)生還可以按照個(gè)人的理解進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，隨意控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行細(xì)致的觀察。 如果實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)誤操作， 計(jì)算機(jī)會(huì)把破壞性的結(jié)果呈現(xiàn)出來，而不會(huì)損壞儀器設(shè)備[1]。

2 教學(xué)融合的實(shí)現(xiàn)

2.1 EWB 仿真設(shè)計(jì)流程

如圖1 所示，用EWB 仿真軟件模擬實(shí)際電路的流程圖，可以概述為以下幾個(gè)步驟。

（1）根據(jù)要求，繪制電路原理圖。 （2）根據(jù)原理圖，在工作區(qū)域合適的位置放置元器件，用導(dǎo)線連接元件。（3）設(shè)置元件參數(shù)。（4）仿真運(yùn)行，在測(cè)量?jī)x表上觀察仿真結(jié)果，并記錄相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)。 （5）分析測(cè)量結(jié)果是否正確。 若正確，繼續(xù)往下進(jìn)行；若不正確，分析原因，調(diào)整仿真電路，對(duì)照電路設(shè)計(jì)要求更改相關(guān)元件參數(shù)，返回第（3）步繼續(xù)進(jìn)行，直到得到正確結(jié)果。 （6）與理論計(jì)算對(duì)照、比較，計(jì)算誤差、分析原因，并撰寫總結(jié)報(bào)告。

對(duì)任意一個(gè)電路的仿真設(shè)計(jì)都是依照以上步驟進(jìn)行的。 在仿真過程中可以通過設(shè)置不同的元件參數(shù)，來研究和分析電路的特性。

圖1 仿真設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Simulation design flow

2.2 融合方式

在教學(xué)的過程中， 可以采用穿插的教學(xué)方式，把仿真教學(xué)貫穿在理論教學(xué)當(dāng)中。

（1）對(duì)于較難理解的電路理論知識(shí)，采用先講解理論再仿真設(shè)計(jì)的方式來鞏固、加深所學(xué)的理論知識(shí)。

（2）對(duì)于相對(duì)較簡(jiǎn)單的電路理論知識(shí)，可以采用先進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)、觀察仿真結(jié)果，再講解理論知識(shí)、分析得到此種結(jié)果的原因的方式來進(jìn)行教學(xué)。

這樣，在整個(gè)教學(xué)過程中，既有“先因后果”的教學(xué)形式，又有“先果后因”的形式，可以增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。

2.3 典型融合實(shí)例分析

在模擬電子技術(shù)中講解放大電路時(shí)，就可以采用EWB 仿真教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合的方式。 現(xiàn)采用“先因后果”的教學(xué)方式，以其中分壓式共射極放大電路為例進(jìn)行講解。 如圖2 所示，含有射極旁路電容的分壓式共射極放大電路原理圖，圖中各元件參數(shù)見表1。 先講解理論知識(shí)， 分析放大電路的特性，通過理論計(jì)算，得到電路的放大倍數(shù)等參數(shù)，然后利用EWB 仿真軟件設(shè)計(jì)電路，測(cè)量仿真數(shù)據(jù)，分析研究用EWB 仿真得到的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性是否與實(shí)際的理論計(jì)算結(jié)果相一致。[2]

圖2 分壓式共射極放大電路圖Fig.2 Partial pressure common emitter amplifier circuit diagram

圖3 靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量電路圖Fig.3 Static measuring circuit diagram

表1 分壓式共射極放大電路元件參數(shù)表Table1 Partial pressure common emitter amplifier circuit component parameters

2.3.1 理論分析

圖2 所示電路靜態(tài)工作點(diǎn)的理論值運(yùn)用公式（1）～（4）計(jì)算[3]。

式中，IBQ為基極靜態(tài)工作電流，單位為μA，ICQ為集電極靜態(tài)工作電流， 單位為mA，UCEQ為集電結(jié)靜態(tài)工作電壓，單位為V。

改變電位器Rp 的值，計(jì)算在不同Rp 時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)IBQ、ICQ、UCEQ的值，將結(jié)果記入表2 中。

在中頻段，不考慮耦合電容、分布電容和結(jié)電容的影響，利用微變等效電路法，得到晶體三極管輸入端的發(fā)射結(jié)等效電阻

則中頻段的電壓放大倍數(shù)為

取Rp接入電路50%， 在電路輸入端加入一頻率為1000Hz、幅值為50mV 的正弦波，在電路輸出端接阻值為1kΩ 的電阻，利用公式（5）～（7），計(jì)算放大倍數(shù)理論值，rbe=1299Ω，Au=-38.5。

2.3.2 EWB 仿真分析

利用EWB 仿真軟件， 在其工作區(qū)域畫出圖2所示電路，改變電位器Rp的值，測(cè)量在不同Rp時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)的值，將結(jié)果記入表2 中。 靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量電路如圖3 所示。 在三極管的基極和集電極，分別串接一個(gè)內(nèi)阻可以忽略的電流表，在集電極和發(fā)射極之間并接一個(gè)內(nèi)阻為10MΩ 的電壓表，通過改變電位器Rp的接入比例，讀出3個(gè)表的讀數(shù)。

從表2 的結(jié)果可以看出，靜態(tài)工作點(diǎn)的理論值和實(shí)際值有較好的一致性。

表2 靜態(tài)工作點(diǎn)的理論值與實(shí)際值Table 2 Theoretical value and real value of static working point

取Rp 接入電路50%，同樣在電路輸入端加入一頻率為1000 Hz、幅值為50 mV 的正弦波，在電路輸出端接阻值為1kΩ 的電阻，測(cè)量放大電路的電壓放大倍數(shù)。 測(cè)量電路如圖4 所示。 雙蹤示波器上顯示輸入和輸出信號(hào)的波形，藍(lán)色線為輸入波形（幅度較?。?，紅色線為輸出波形（幅度較大），兩者相位相差180°(如圖5 所示)。 通過比較兩個(gè)波形的幅值，得到電壓放大倍數(shù)Au=-37。 與理論計(jì)算值比較，理論計(jì)算與仿真調(diào)試的結(jié)果具有很好的一致性。

從EWB 仿真模擬得到的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性與理論分析計(jì)算的結(jié)果比較中可以得知，仿真電路可以較準(zhǔn)確地描述理想電路模型。 借助EWB 仿真軟件，可以使學(xué)生方便地觀察到靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置情況、放大電路對(duì)信號(hào)的放大作用，以及靜態(tài)工作點(diǎn)改變對(duì)信號(hào)失真的影響[4]。 所以，EWB 仿真教學(xué)完全可融入到電子技術(shù)的教學(xué)中，而且在仿真模型中可以通過示波器形象地觀察輸入、輸出信號(hào)的各種波形，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖4 動(dòng)態(tài)特性測(cè)量電路Fig.4 Dynamic measuring circuit diagram

圖5 輸入輸出信號(hào)波形Fig.5 Oscillogram of I/O signals

將EWB 仿真教學(xué)融入高職電子技術(shù)的教學(xué)中，不但使教學(xué)方式多樣化，而且對(duì)學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)及良好習(xí)慣的養(yǎng)成也很有幫助。 在利用軟件學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生對(duì)示波器、信號(hào)發(fā)生器等儀器設(shè)備的使用也有了進(jìn)一步的了解， 減少了儀器儀表等實(shí)習(xí)設(shè)備的故障。 另外，在教學(xué)過程中，可以通過修改元件參數(shù)使電路出現(xiàn)開路、短路、漏電等各種故障， 進(jìn)而觀察不同故障情況下電路的工作狀態(tài)，分析其造成的危害，從而提高學(xué)生處理故障的能力，同時(shí)讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中掌握必要的安全常識(shí)，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5]。 因此，將EWB 仿真教學(xué)融入到電子技術(shù)教學(xué)中， 不但不會(huì)增加教學(xué)的難度， 相反， 還能促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，增強(qiáng)他們的求知欲望、鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和主動(dòng)思考的能力， 引導(dǎo)學(xué)生將相關(guān)課堂理論知識(shí)融會(huì)貫通，運(yùn)用于生產(chǎn)生活實(shí)踐中去。

3 結(jié)語

EWB 仿真軟件的操作過程非常接近實(shí)際元器件的操作，它可以對(duì)電工電子中的絕大多數(shù)電路進(jìn)行模擬仿真，觀察仿真結(jié)果、分析電路中故障的原因，方便地修改、調(diào)試電路元件的參數(shù)等等。 它是設(shè)計(jì)調(diào)試新電路的一個(gè)很好的工具，也是電子工程技術(shù)人員和學(xué)校電子技術(shù)教學(xué)中必備的軟件。 EWB 軟件為我們提供了一個(gè)全開放性的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提供了完備的實(shí)驗(yàn)器件，包括各種豐富的分立元件、集成電路等元器件和電壓表、電流表、示波器、分析儀等豐富的測(cè)量工具， 因而同樣適用于較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。 教師可以利用EWB，為學(xué)生提供方便的實(shí)驗(yàn)、演示和電路分析工具，深入淺出地分析電路的特性，分析參數(shù)變化對(duì)電路的影響，增加教學(xué)的實(shí)踐效果， 鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考問題的能力。 總之，將EWB 仿真教學(xué)融入到高職電子技術(shù)的教學(xué)中，對(duì)高職電子技術(shù)教學(xué)改革的深入開展及提高教學(xué)活動(dòng)的效果，都能夠起到積極的作用。

[1] 胡宴如. 模擬電子技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2004：271-310.

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[3] 曾令琴. 模擬電子技術(shù)[M]. 北京：人民郵電出版社，2008：41-50.

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