虛擬仿真技術(shù)在電工技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

易禮智

摘 要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在電工技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，也讓電工技術(shù)的教學(xué)手段和教學(xué)模式產(chǎn)生了極為重大的影響。本文首先分析了虛擬仿真技術(shù)在電工技術(shù)教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，接著提出了虛擬仿真技術(shù)在電工技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真技術(shù) 電工技術(shù) Multisim EWB

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.06.037

Abstract With the development of computer technology and virtual simulation technology， the application of virtual simulation technology in the electrician teaching is more and more widely. Also make Electrotechnics Teaching means and teaching mode produce a very significant impact. This paper analyzes the advantages of virtual simulation technology in the teaching of electrical technology， and then puts forward the application of virtual simulation technology in the teaching of electrical engineering technology.

Key words virtual simulation； electrical engineering； Multisim EWB

0 引言

電工技術(shù)課程是高職院校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)基礎(chǔ)課程，其重要性不言而喻。但是，電工技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容理論性強(qiáng)，而且內(nèi)容抽象，學(xué)生很難真正理解和掌握電工技術(shù)知識(shí)。電工技術(shù)的教學(xué)要求不但要求學(xué)生具備很強(qiáng)的理論知識(shí)，而且要求學(xué)生具備較強(qiáng)的實(shí)踐能力，這也讓學(xué)生在學(xué)習(xí)電工技術(shù)時(shí)感覺(jué)十分吃力。傳統(tǒng)的電工技術(shù)教學(xué)中大多都是以教師為主導(dǎo)的灌輸式教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也是采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，高職學(xué)生經(jīng)歷了高考的失利，對(duì)于這種晦澀抽象的教學(xué)內(nèi)容難以掌握，難以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，甚至可能會(huì)導(dǎo)致他們?cè)黾訉?duì)電工技術(shù)課程的厭惡感，教學(xué)效果可想而知。因此，如何采用科學(xué)合理的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得最佳的教學(xué)效果，成為了電工技術(shù)課程教師的研究重點(diǎn)。

高職學(xué)生的理論基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，但是他們的動(dòng)手能力比較強(qiáng)，而且實(shí)踐操作的熱情很高，因此，教師在教學(xué)中可以引入虛擬仿真技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們能夠深刻理解和掌握電工技術(shù)的理論知識(shí)，同時(shí)還能掌握電工技術(shù)的實(shí)踐操作技能。當(dāng)然，沒(méi)有任何一種教學(xué)方法是十全十美的，任何教學(xué)方法都是一把雙刃劍，有利有弊，需要教師根據(jù)實(shí)際情況來(lái)采取相應(yīng)的教學(xué)方法。

1 虛擬仿真技術(shù)在電工技術(shù)教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

在電工技術(shù)課程中，很多學(xué)生對(duì)于電工技術(shù)理論知識(shí)難以理解，對(duì)于原理圖和儀器設(shè)備也是手足無(wú)措，而且在實(shí)踐操作過(guò)程中，很多精密的儀器設(shè)備，可能因?yàn)橐粫r(shí)的疏忽或者失誤就會(huì)被損壞，不但不能讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐，還會(huì)造成師資和設(shè)備資源的占用和浪費(fèi)。因此，利用虛擬仿真技術(shù)來(lái)輔助電工技術(shù)教學(xué)，能夠起到事半功倍的效果。具體來(lái)說(shuō)，虛擬仿真技術(shù)在電工技術(shù)教學(xué)中主要有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。

1.1 化解抽象內(nèi)容實(shí)現(xiàn)透徹理解

電工技術(shù)是一門(mén)難以掌握的課程，學(xué)生對(duì)電工技術(shù)中的一些抽象、復(fù)雜的內(nèi)容很難理解，而且電工技術(shù)偏重于邏輯分析，很多學(xué)生都是初次接觸電工技術(shù)內(nèi)容，如果只通過(guò)教師的講解，學(xué)生很難真正理解和掌握電工技術(shù)，更難以形成清晰的認(rèn)識(shí)，教學(xué)效果可想而知。傳統(tǒng)的電工技術(shù)教學(xué)都是教師利用板書(shū)來(lái)畫(huà)圖，這樣不但占用了教學(xué)時(shí)間，教學(xué)效果也不盡如人意。如果把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到電工技術(shù)教學(xué)中，把那些抽象、復(fù)雜的內(nèi)容以形象化和趣味化的形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，不但能夠?qū)崿F(xiàn)文字、圖像靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的結(jié)合，讓原本乏味、抽象的內(nèi)容變得形象和生動(dòng)，讓學(xué)生能夠很直觀地去認(rèn)識(shí)教學(xué)內(nèi)容，從而深刻理解和掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備齊全

在傳統(tǒng)的電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室中，由于各種條件的限制，其元器件和測(cè)試設(shè)備都不夠齊全，這也讓教師無(wú)法更有效地向?qū)W生講解和傳授知識(shí)，教學(xué)效果受到了不利影響。但是，在虛擬仿真軟件中，各類(lèi)元器件和測(cè)試設(shè)備都十分齊全，可以不受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中各種條件的限制。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備齊全的虛擬仿真軟件中，學(xué)生可以自由地完成設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，元器件和測(cè)試設(shè)備不受到數(shù)量和種類(lèi)的限制。

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室中，有些設(shè)備會(huì)損壞，這就會(huì)對(duì)教師的教學(xué)和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生不良影響，而且，教師必須要在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行檢查，排查故障，極大地增加了教師的任務(wù)量，也會(huì)導(dǎo)致教學(xué)效率受到影響。引入虛擬仿真技術(shù)之后，這些問(wèn)題都不復(fù)存在，教學(xué)效率大大提高。

1.3 節(jié)約實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本

目前，高職院校的資金普遍都緊張，雖然很多高職院校都投入了大量資金用于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，但是很多時(shí)候仍然顯得捉襟見(jiàn)肘，也無(wú)法保障學(xué)生單人單組的實(shí)驗(yàn)，這就導(dǎo)致很多學(xué)生都無(wú)法高效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)，降低了教學(xué)效果。如果把虛擬仿真技術(shù)引入電工技術(shù)教學(xué)中，一些昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備也可以以嵌入虛擬仿真軟件的形式引入實(shí)驗(yàn)室中，為學(xué)生提供寶貴的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，讓學(xué)生可以在虛擬仿真軟件中完成設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。可以說(shuō)，在高職電工技術(shù)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，可以有效降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本。

2 虛擬仿真技術(shù)在電工技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

在電工技術(shù)教學(xué)中，可以利用多種虛擬仿真技術(shù)來(lái)輔助教學(xué)，最為常見(jiàn)的主要有Multisim、EWB、MATLAB/simulink等。在不同的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)環(huán)節(jié)中，可以采用不同的虛擬仿真軟件來(lái)輔助教學(xué)。

2.1 Multisim虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

Multisim可以在電工技術(shù)的很多教學(xué)內(nèi)容中得到應(yīng)用，比如說(shuō)直流電路、正弦交流電路、三相交流電路和動(dòng)態(tài)電路中都可以利用Multisim虛擬仿真軟件來(lái)對(duì)電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。比如說(shuō)三相交流電路中，照明電路最為常見(jiàn)的都是應(yīng)用三相交流電路，由于負(fù)載大多數(shù)都不是對(duì)稱(chēng)的，因此，我們采用的都是三相四線制。在電工技術(shù)中，三相交流電路都是220V電壓，但是在實(shí)踐教學(xué)中，220V電壓存在較大的安全隱患，因此，如果是實(shí)踐操作，可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)，這時(shí)候就可以采用Multisim虛擬仿真軟件來(lái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

又比如在動(dòng)態(tài)電路的教學(xué)中，由于動(dòng)態(tài)電路的過(guò)渡過(guò)程是十分短暫的單次變化過(guò)程，由于其單詞變化過(guò)程時(shí)間過(guò)短，因此，在以往的教學(xué)中都是以教師講解為主，瞬態(tài)變化波形也都是由教師以板書(shū)的形式畫(huà)出來(lái)給學(xué)生學(xué)習(xí)。但是這種方式明顯不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，而且也讓學(xué)生難以形象生動(dòng)的理解這一過(guò)程。如果采用Multisim虛擬仿真軟件來(lái)展示瞬態(tài)過(guò)程的變化，并且通過(guò)修改相關(guān)參數(shù)來(lái)改變過(guò)渡過(guò)程時(shí)間的長(zhǎng)短，不但會(huì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且還能夠讓學(xué)生加深理解，真正掌握這一知識(shí)點(diǎn)。在一階RC電路中，教師要跟學(xué)生講解零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和全響應(yīng)時(shí)，教師可以在Multisim虛擬仿真軟件中創(chuàng)建一個(gè)一階RC電路，首先跟學(xué)生講述零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)兩個(gè)概念，然后利用Multisim虛擬仿真軟件進(jìn)行仿真，讓學(xué)生觀察波形的變化，從而讓學(xué)生深刻理解零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)的概念；接著教師再向?qū)W生講述全狀態(tài)響應(yīng)，并利用Multisim虛擬仿真軟件來(lái)進(jìn)行仿真，再讓學(xué)生觀察波形變化，教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，讓他們發(fā)現(xiàn)零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和全狀態(tài)響應(yīng)之間的關(guān)系，從而得出全狀態(tài)響應(yīng)是零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)之后的結(jié)論。同時(shí)，為了讓學(xué)生更深刻地理解時(shí)間常數(shù)的作用，可以通過(guò)改變電阻R和電容C來(lái)改變時(shí)間常數(shù)，從而改變響應(yīng)速度，讓學(xué)生通過(guò)波形的變化來(lái)得出結(jié)論。

2.2 EWB虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

EWB虛擬仿真軟件主要是通過(guò)直觀的圖形界面來(lái)制定相關(guān)的電路原理圖，而且實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)就呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上面，因此，操作者只需要在計(jì)算機(jī)屏幕上選擇相應(yīng)的電路組件和仿真測(cè)試設(shè)備，即可完成電路設(shè)計(jì)和測(cè)試。EWB虛擬仿真軟件的組件庫(kù)非常豐富，而且元件庫(kù)的種類(lèi)很多，有模擬集成電路、數(shù)字集成電路等，另外，EWB的電路分析手段得到了很大的提升，其可以進(jìn)行非線性分析、線性分析等。

EWB虛擬仿真軟件的操作方式靈活，雖然EWB是虛擬仿真軟件，但是其操作性遠(yuǎn)勝真實(shí)操作，利用電子儀器測(cè)量時(shí)，還能夠清晰地顯示測(cè)量結(jié)果。另外，當(dāng)操作中出現(xiàn)失誤時(shí)，比如說(shuō)出現(xiàn)漏電、短路、開(kāi)路等情況時(shí)，EWB虛擬仿真軟件能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并且加以顯示，這樣操作者就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)情況并且加以改進(jìn)。

EWB虛擬仿真軟件的功能非常強(qiáng)大，比如說(shuō)，在傳統(tǒng)的電路分析中，需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，而且計(jì)算方式非常麻煩，而且也不能很好地對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析，更無(wú)法科學(xué)合理地解決問(wèn)題。而利用EWB虛擬仿真軟件，可以通過(guò)邏輯轉(zhuǎn)換儀來(lái)簡(jiǎn)便的轉(zhuǎn)化不同形式，從而能夠更好地實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

EWB虛擬仿真軟件的功能強(qiáng)大，其技巧也很多，只有掌握了每一種功能技巧，才能夠更好地應(yīng)用EWB虛擬仿真軟件來(lái)輔助電工教學(xué)。比如說(shuō)，虛擬儀表的應(yīng)用技巧和快捷鍵運(yùn)用的技巧，這都是學(xué)習(xí)EWB虛擬仿真軟件必須要掌握的基本技巧。在設(shè)計(jì)虛擬儀表時(shí)，應(yīng)該要按照實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，只有合理地操作虛擬儀表來(lái)分析和設(shè)計(jì)電路，才能在真實(shí)環(huán)境中才能更好地設(shè)計(jì)電路和放置儀表，因此，虛擬儀表的應(yīng)用技巧應(yīng)該與真實(shí)儀表保持一致，要保證每一個(gè)儀表的測(cè)量范圍都在允許范圍之內(nèi)，并且按照相關(guān)要求在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行操作。EWB虛擬仿真軟件設(shè)置了很多的快捷鍵，從而方便操作者更加快速地操作，這樣不但讓操作者可以一邊使用鍵盤(pán)一邊適用鼠標(biāo)來(lái)同時(shí)操作，提高了操作者的操作效率。這也就要求操作者數(shù)量掌握快捷鍵技巧，從而避免失誤，提高操作效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用虛擬仿真技術(shù)來(lái)輔助電工技術(shù)教學(xué)，是電工技術(shù)教學(xué)改革的必然趨勢(shì)，也是廣大電工技術(shù)教學(xué)者應(yīng)該要重點(diǎn)研究的課題。利用虛擬仿真技術(shù)來(lái)輔助電工技術(shù)教學(xué)，不但改變了傳統(tǒng)電工技術(shù)的教學(xué)模式，還能夠形象直觀地向?qū)W生展示電工技術(shù)知識(shí)點(diǎn)，化解電工教學(xué)中的抽象內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)電工技術(shù)的基本概念、基本定律和基本原理的透徹理解，讓學(xué)生能夠真正掌握電工技術(shù)。可以說(shuō)，在電工技術(shù)教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真軟件，不但可以讓學(xué)生更好地理解電工技術(shù)的基本理論，化解教學(xué)難點(diǎn)，還能夠突破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室的限制，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本。當(dāng)然，任何教學(xué)方法都是一把雙刃劍，有利有弊，這就要求教師根據(jù)實(shí)際情況來(lái)合理運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，要堅(jiān)持教師的主導(dǎo)作用，在教學(xué)時(shí)做到有的放矢，區(qū)分好實(shí)踐教學(xué)和模擬仿真，只有這樣，才能真正把虛擬仿真技術(shù)很好地應(yīng)用在電工技術(shù)的教學(xué)當(dāng)中來(lái)。

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