Proteus仿真在“電路”課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)“電路”課程具有概念抽象、器件邏輯功能難以理解等特點(diǎn)，提出將Proteus仿真軟件融入到課堂理論教學(xué)中，利用該仿真軟件對(duì)教材中的電路實(shí)例進(jìn)行仿真分析計(jì)算，課堂理論教學(xué)與仿真技術(shù)結(jié)合，使講授的理論知識(shí)能夠直觀、形象地展現(xiàn)給學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)元器件的理解能力。調(diào)查表明：在“電路”課程教學(xué)中應(yīng)用Proteus仿真軟件，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電路；Proteus仿真；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）12-0055-02

“電路”課程是高等學(xué)院理工科學(xué)生必修的一門(mén)基礎(chǔ)教育課程，是電類本科生的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課。學(xué)生普遍認(rèn)為，電路知識(shí)抽象，難以理解各種元器件在電路中的運(yùn)行特性，尤其是涉及到實(shí)際電路時(shí)，難以將理論課所學(xué)的電路知識(shí)解決所遇到的問(wèn)題。[1-3]針對(duì)此，將Proteus仿真軟件引入到電路課程的教學(xué)中，將抽象的電路以動(dòng)畫(huà)的方式演示給學(xué)生，讓學(xué)生能“理論電路聯(lián)想實(shí)際電路”，使理論簡(jiǎn)單化、教學(xué)過(guò)程生動(dòng)化，同時(shí)激發(fā)起學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。[4，5]實(shí)踐證明，將Proteus仿真軟件與傳統(tǒng)的理論教學(xué)方式相結(jié)合有助于提高學(xué)生電路知識(shí)的學(xué)習(xí)能力和應(yīng)用能力。

一、課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

電路課程內(nèi)容比較抽象，課時(shí)安排比較緊湊，學(xué)生普遍感到知識(shí)抽象，難以理解電路元件的原理功能，難以掌握器件的外部特性，尤其是涉及到器件如何應(yīng)用，如何利用所學(xué)器件設(shè)計(jì)實(shí)用電路時(shí)顯得無(wú)從下手。大部分學(xué)生學(xué)習(xí)電路知識(shí)只是停留在知識(shí)的堆砌上，而沒(méi)有將應(yīng)用作為重點(diǎn)掌握。特別在電路實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不能將理論聯(lián)系實(shí)驗(yàn)。在現(xiàn)在的教學(xué)方式中，任課教師、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)人員存在著一定的問(wèn)題。

第一，多媒體利用空間不夠?，F(xiàn)在的教學(xué)手段一般為多媒體，從反饋程度來(lái)看，學(xué)生掌握知識(shí)的程度并未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。經(jīng)分析有以下原因：采用多媒體教學(xué)手段進(jìn)行課堂教學(xué)，有時(shí)教師未考慮到學(xué)生的反應(yīng)時(shí)間，畫(huà)面的切換過(guò)快，沒(méi)有充分考慮到學(xué)生的思維水平和思維上的速度，長(zhǎng)久下來(lái)影響了教學(xué)效果。電路課程中定理和公式較多，單純?cè)诙嗝襟w上推導(dǎo)，學(xué)生往往會(huì)一知半解。

第二，實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。電路是一門(mén)動(dòng)手實(shí)踐性極強(qiáng)的課程，現(xiàn)在多采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)形式。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)所提供的實(shí)驗(yàn)步驟連接電路圖，再加以測(cè)量就完成了。在這種實(shí)驗(yàn)方式中，學(xué)生不能夠處于主動(dòng)思考的地位，因此不利于培養(yǎng)他們獨(dú)立思維和創(chuàng)新的能力。

第三，對(duì)于需要完成項(xiàng)目或者課程設(shè)計(jì)的學(xué)生，如何能快速評(píng)估電路設(shè)計(jì)是否正確。在傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)流程中，先是選定題目，確定方案，然后設(shè)計(jì)電路圖、購(gòu)買(mǎi)元器件、制板、調(diào)試，最后進(jìn)行測(cè)試。如果未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這個(gè)過(guò)程就要反復(fù)進(jìn)行。然而，對(duì)于一般在校學(xué)生，這些步驟往往是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，借助于EDA軟件，在原理圖設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)，而且可以通過(guò)改變?cè)骷?shù)使整個(gè)電路的性能最優(yōu)化。這樣就無(wú)須多次購(gòu)買(mǎi)元器件板、制版、焊接測(cè)試調(diào)試等，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)，提高了設(shè)計(jì)效果和質(zhì)量。

第四，隨著高校招生規(guī)模的擴(kuò)大，學(xué)生人數(shù)的增多，教師很難顧及到每個(gè)學(xué)生的學(xué)生情況，因此，提高每一個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性顯得尤為重要。

二、Proteus在電路教學(xué)中的應(yīng)用

電路課程包括電路的基本概念、基本元件、電路的基本定律、變壓器件等等。Proteus仿真軟件為電子電路仿真提供了豐富的元件數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)提供了種類多樣且標(biāo)準(zhǔn)化的仿真儀器，比如萬(wàn)用表、示波器等等。在課堂上引用仿真軟件可以幫助學(xué)生有效地接收理論知識(shí)，更好地掌握教學(xué)內(nèi)容，并能熟知相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器，提高課堂質(zhì)量。以電路中的“線性電路的暫態(tài)分析”為例，分析利用Proteus輔助理論教學(xué)電路仿真情況。

1.暫態(tài)過(guò)程產(chǎn)生的原因仿真與分析

實(shí)際電路的工作狀態(tài)總是發(fā)生變化的，導(dǎo)致電路從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。將電源的接通或斷開(kāi)、電壓或電流的改變、電路元件的參數(shù)改變統(tǒng)稱為換路。由于電感和電容是儲(chǔ)能元件，在換路時(shí)，儲(chǔ)能元件的能量?jī)?chǔ)存和釋放不是一瞬間完成的，而是要經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換過(guò)程，這個(gè)過(guò)程稱為暫態(tài)過(guò)程或過(guò)渡過(guò)程。Proteus仿真軟件提供了電阻、電容、電壓表、電流表等元件。課堂教學(xué)中利用這些元件展示電路的運(yùn)行過(guò)程與結(jié)果，可以改善課堂的氣氛和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。圖1給出了電容充放電過(guò)程的仿真電路圖。電路中的電容電壓的變化用示波器進(jìn)行觀測(cè)。通過(guò)觀察仿真中的示波器波形可得，電容在充電和放電的過(guò)程中，電壓表和電流表的變化都需要一個(gè)過(guò)程而不能躍變。由此形象地說(shuō)明在含有儲(chǔ)能元件的電路中，由于儲(chǔ)能元件的能量在換路時(shí)不能躍變，所以電路才會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)程。

2.暫態(tài)過(guò)程初始值和穩(wěn)態(tài)值的確定與分析

由以上可知，電容電壓和電感電流不能發(fā)生躍變。研究電路暫態(tài)過(guò)程的變化要確定兩個(gè)數(shù)值，一個(gè)是暫態(tài)過(guò)程的開(kāi)始值，即初始值；一個(gè)是暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后的穩(wěn)態(tài)值。初始值的理解對(duì)學(xué)生而言較為抽象，借助仿真軟件，圖2給出了換路前，電容電感的初始值分析電路圖。在此電路圖中，可以讓學(xué)生通過(guò)觀察電壓表和電流表的讀數(shù)，直觀地看到在穩(wěn)態(tài)時(shí)電容相當(dāng)于斷路，電感相當(dāng)于短路的特點(diǎn)，且形象地說(shuō)明了在換路瞬間，電容相當(dāng)于恒壓源，電感相當(dāng)于恒流源，從而求解出換路后瞬間的初始值。暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后，電路進(jìn)入一種新的穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的值就是穩(wěn)態(tài)值。與初始值一樣，穩(wěn)態(tài)值是分析一階電路暫態(tài)過(guò)程的重要因素。穩(wěn)態(tài)值的確定同樣可通過(guò)控制圖1中的開(kāi)關(guān)，觀察萬(wàn)用表的讀數(shù)即可求得穩(wěn)態(tài)值。

3.討論

以上是在課堂理論課中穿插的仿真實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生帶來(lái)了耳目一新的良好效果。在講授的過(guò)程中，同學(xué)們熱情高漲，并對(duì)Proteus軟件產(chǎn)生了極大的興趣。希望利用此軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真。針對(duì)此，隨后向?qū)W生布置了相關(guān)作業(yè)，不少同學(xué)可以自行在網(wǎng)上下載并安裝軟件，并且對(duì)電路調(diào)試成功。不少同學(xué)認(rèn)為，利用Proteus軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，不僅對(duì)課堂中所涉及的電路有更深層次的理解和掌所致，更對(duì)培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力有很大的幫助。

三、Proteus在電路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

Proteus軟件可以對(duì)模擬電路、數(shù)字電路、模擬混合電路、單片機(jī)及外圍元件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，并提供簡(jiǎn)單易用的印刷電路板設(shè)計(jì)工具以及提供了豐富的測(cè)試信號(hào)用于電路測(cè)試。借助Proteus軟件，不僅有助于科研開(kāi)發(fā)、電路教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)以及電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的開(kāi)展，而且使得從事該行業(yè)的專業(yè)技術(shù)人員加快電路系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的速度，從而達(dá)到節(jié)約開(kāi)發(fā)成本和提高電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率的目的。因此，基于以上原因，利用Proteus可以有效地促進(jìn)電路實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。學(xué)生可以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)前行預(yù)習(xí)仿真，進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn)的原理并得知實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，即可縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，也可在相同的課時(shí)分配下，更好地?cái)U(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。同時(shí)還可以避免因?qū)W生操作方面的失誤而導(dǎo)致設(shè)備的損壞或人員傷害，從一定程度上節(jié)約維修和更換器件的費(fèi)用。

四、教學(xué)效果分析

1.課堂和實(shí)驗(yàn)效果分析

借助電子仿真平臺(tái)Proteus設(shè)計(jì)電路課程中的電路實(shí)例，并且進(jìn)行仿真驗(yàn)證，有效解決了課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的“憑空想像”的難題。通過(guò)仿真設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生在課堂上積極主動(dòng)地進(jìn)行思考和回答問(wèn)題，對(duì)學(xué)習(xí)充滿興趣，能夠在老師的引導(dǎo)下主動(dòng)構(gòu)建實(shí)際電路的運(yùn)行和流程，并可以提出問(wèn)題。除了課堂中的學(xué)習(xí)，在電路實(shí)驗(yàn)課中學(xué)生的動(dòng)手能力明顯提高，能獨(dú)立主動(dòng)地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將仿真與實(shí)際相結(jié)合，部分同學(xué)還可以完成選做實(shí)驗(yàn)部分。

2.作業(yè)和考試成績(jī)分析

通過(guò)學(xué)生所提交的作業(yè)可以看出，學(xué)生發(fā)揮了主觀能動(dòng)性，在課后利用計(jì)算機(jī)自行仿真驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果是否正確，作業(yè)的準(zhǔn)確率大大提高。部分同學(xué)還針對(duì)仿真結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行分析，提出多種答題方法。學(xué)生在完成作業(yè)的過(guò)程中，不僅鞏固了課堂和教材上的內(nèi)容，還自發(fā)引入其他課程的信息。在這個(gè)過(guò)程中，能夠給予學(xué)生更多的嘗試機(jī)會(huì)，從而增強(qiáng)學(xué)生的信心，提高他們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果。期末考試成績(jī)表明引入仿真教學(xué)有利于學(xué)生成績(jī)的提高。

五、總結(jié)

總之通過(guò)課堂理論知識(shí)的講授與仿真相結(jié)合的方式，可以使抽象的理論形象化，復(fù)雜的電路實(shí)際化，使枯燥的電路特性分析變得生動(dòng)形象、真實(shí)可信，讓學(xué)生在課堂中就能感受到實(shí)驗(yàn)才具有的測(cè)試效果，更好地把理論與實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)。加深了學(xué)生對(duì)課程理論內(nèi)容的理解，為學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物器件的操作奠定了基礎(chǔ)。盡管Proteus軟件的仿真不能完全代替硬件試驗(yàn)，但Proteus軟件的仿真分析功能與精確度，是任何硬件實(shí)驗(yàn)都難以達(dá)到的。再者，通過(guò)對(duì)學(xué)生的調(diào)查表明，虛擬仿真與課堂教學(xué)相結(jié)合，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和理解知識(shí)的能力。此外，利用Proteus開(kāi)展數(shù)字電路課程中相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)，不但可以使學(xué)生掌握利用電容元器件進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)，還可以為學(xué)生在學(xué)習(xí)后續(xù)課程“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“單片機(jī)原理與應(yīng)用”打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有利于提高學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合能力。

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（責(zé)任編輯：王意琴）