基于虛擬仿真平臺的高職《電路分析》課程設(shè)計(jì)與開發(fā)

張濤

摘要：《電路分析》課程是電氣信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其主要任務(wù)是討論線性、非時(shí)變、集中參數(shù)電路的基本理論和分析方法，掌握電路的基本概念，基本原理，提高分析能力，是后續(xù)課程的基礎(chǔ)。作為高職院校的學(xué)生來說，他們往往對于直觀的知識更容易理解，而對于抽象的數(shù)學(xué)運(yùn)算不太感興趣，且運(yùn)算能力較弱。針對高職學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)及高職《電路分析》課程的教學(xué)要求，將課程教學(xué)的重點(diǎn)放到基本定律的理解，引入虛擬仿真軟件作為教學(xué)的支持工具，將所有的數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換為電路的搭建、參數(shù)的設(shè)置與輸出結(jié)果的觀察，使枯燥的數(shù)學(xué)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為生動形象可以動態(tài)展示的電路模擬圖，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

關(guān)鍵詞：電路分析；虛擬仿真；課程設(shè)計(jì)與開發(fā)

引言

近年來隨著各類各級高校招生規(guī)模的擴(kuò)大以及高考生源的連年下降，使得當(dāng)前很多高職院校的入取分?jǐn)?shù)線直線下滑，以至于高考兩百分的學(xué)生也能夠有機(jī)會參與到高等教育之中。一方面體現(xiàn)了我國當(dāng)前高等教育的普及化程度逐年提高，能夠?qū)φw國民受教育程度進(jìn)行提升；另一方面也出現(xiàn)了一些比較嚴(yán)峻的問題，特別是理工科相關(guān)專業(yè)的教師在授課過程中會發(fā)現(xiàn)，對于高中知識掌握并不好的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)《電路分析》這一類的課程，會出現(xiàn)很大的厭學(xué)情緒，特別是對于高中階段讀文科的同學(xué)來說，更是一個巨大的挑戰(zhàn)。

在這樣的情況之下，如何能夠在不減少教學(xué)內(nèi)容、不降低教學(xué)要求的基礎(chǔ)上讓學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容能夠產(chǎn)生較大的興趣，從而完成整個教學(xué)計(jì)劃與內(nèi)容成為廣大高職教育工作者所迫切需要解決的一個問題。

直觀與形象的教學(xué)方式往往為這一類學(xué)生所喜聞樂見，通過引入虛擬教學(xué)軟件，將抽象的電路計(jì)算轉(zhuǎn)化為形象的電路搭建、參數(shù)設(shè)置及輸出結(jié)果的觀察，能夠更好的吸引學(xué)生的注意力，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，完成教學(xué)任務(wù)，并為后續(xù)的課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

1 本課題研究所基于的虛擬仿真軟件介紹

以上的幾種軟件都有課程講授過程中有所應(yīng)用，并將軟件的使用融入到課程教材的內(nèi)容之中，在《電路分析》課程的教學(xué)過程中起到了一定的作用，特別是在實(shí)訓(xùn)課程中解決了實(shí)訓(xùn)資源不充足的問題，為學(xué)生對本門課程的學(xué)習(xí)提供了良好的平臺。

在課題研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)在電氣自動化及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生中，個人擁有電腦的數(shù)量較少，特別是在一年級學(xué)習(xí)階段，每班所擁有的電腦數(shù)量不超過3臺，因此學(xué)生在課后往往很難利用虛擬仿真軟件進(jìn)行練習(xí)與學(xué)習(xí)。同時(shí)，現(xiàn)在智能手機(jī)的普及率已經(jīng)非常高，幾乎每名同學(xué)都擁有一臺智能手機(jī)，為此在虛擬仿真軟件的選擇上以手機(jī)平臺為主要載體進(jìn)行選擇。

當(dāng)前常用的手機(jī)平臺電路仿真軟件有《電子電路仿真和設(shè)計(jì)—iCircuit》、《電子電路模擬器—EveryCircuit》、《超級電路仿真軟件—Droid Tesla Pro》等仿真軟件。

1.1 電子電路仿真和設(shè)計(jì)—iCircuit[5]

iCircuit是一款電路仿真設(shè)計(jì)程序。其先進(jìn)的模擬引擎可以處理模擬和數(shù)字電路，并提供強(qiáng)大的實(shí)時(shí)分析的功能。無論你是學(xué)生，計(jì)算機(jī)業(yè)余愛好者還是工程師，這都將是你最好的模擬工具。你可以使用它將任何支持的仿真元器件連接在一起，并各自設(shè)置其屬性。

iCircuit不像其他的模擬程序需要靜止測量或者花費(fèi)很長時(shí)間來設(shè)置參數(shù)。僅需簡單的幾步操作，就可以媲美花費(fèi)很多時(shí)間連接好的實(shí)際電路！我們提供了超過30種元件來建立你的仿真電路，從簡單的電阻、電容，到MOS管、FET管和數(shù)字門元件，一應(yīng)俱全。

模擬程序可以使用模擬的萬用表來探測電路的參數(shù)，并即時(shí)顯示電壓和電流。如果你想看到電路參數(shù)如何隨著時(shí)間的推移而變化，你可以使用內(nèi)置的示波器來觀察。我們的示波器還支持同時(shí)跟蹤多個信號并描繪在同一個坐標(biāo)系中，非常易于觀察比較。

1.2 電子電路模擬器—EveryCircuit[6]

EveryCircuit是一款電子電路模擬工具，可以建立任何電路，點(diǎn)擊播放按鈕，就能夠觀看動態(tài)的電壓和電流的動畫。軟件功能：+動畫電壓波形和電流流+模擬控制旋鈕調(diào)整電路參數(shù)+自動布線+示波器+無縫DC和瞬態(tài)仿真+單播放/暫停按鈕控制模擬+保存和加載的電路原理圖+移動從地面建造的仿真引擎+直觀的用戶界面+沒有廣告組件：+源代碼，信號發(fā)生器+電阻器，電容器，電感器+二極管，齊納二極管，發(fā)光二極管（LED）+ MOS晶體管（MOSFET），+雙極結(jié)晶體管（BJT）理想運(yùn)算放大器（運(yùn)放）+數(shù)字邏輯門，OR，NOT，NAND，NOR，XOR，XNOR。

2 本課題研究的目的、意義

針對當(dāng)前高職教育中所遇到的各種現(xiàn)狀與問題，對教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)母母?，從而更好的滿足高職教育的要求，為后續(xù)課程奠定較為扎實(shí)的基礎(chǔ)。

（1）在培養(yǎng)學(xué)生電路知識與計(jì)算能力的基礎(chǔ)上，更加重視學(xué)生的動手能力與觀察能力，將原來的分析電路與計(jì)算電路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為搭建電路與觀察電路數(shù)據(jù)，降低本課程對學(xué)生的高中物理與數(shù)學(xué)知識的要求。

（2）選擇一種更加容易上手且跨平臺使用的虛擬仿真平臺，使得學(xué)生能夠比較容易掌握軟件的使用方法，而且不用局限于計(jì)算機(jī)平臺，從而讓學(xué)生能夠在課上與課下都能進(jìn)行學(xué)習(xí)與練習(xí)。

（3）為學(xué)生將來進(jìn)行復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)奠定一定的軟件使用經(jīng)驗(yàn)與EDA的基本設(shè)計(jì)方法。

通過本課題的研究與實(shí)施，使得當(dāng)前學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀進(jìn)行一定改善與提高，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，為相應(yīng)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定較為扎實(shí)的基礎(chǔ)，從而提升學(xué)生的專業(yè)知識與專業(yè)技能，提高學(xué)生的就業(yè)競爭力。

3 本課題的主要研究工作

3.1 制定《電路分析》課程標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)劃

《電路分析》課程標(biāo)準(zhǔn)包括課程簡介、課程性質(zhì)與定位、課程設(shè)計(jì)思路、課程培養(yǎng)目標(biāo)、課程內(nèi)容和要求、教師任職要求、教學(xué)條件與設(shè)施要求、實(shí)施建議及附錄等九個方面的內(nèi)容，其中課程內(nèi)容和要求見表1。

3.2 設(shè)計(jì)《電路分析》教案

本課程的教案共有23個，主要內(nèi)容包括教學(xué)目標(biāo)、目標(biāo)群體、教學(xué)方法、時(shí)間安排、教學(xué)過程設(shè)計(jì)、作業(yè)及教學(xué)反饋等七方面的內(nèi)容。通過以上內(nèi)容的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，使得教師能夠?qū)φ麄€教學(xué)更好的把握，在適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)過程中引入虛擬仿真軟件的應(yīng)用與講解，為學(xué)生更好的理解與掌握知識點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。

3.3 繪制《電路分析》虛擬仿真電路

根據(jù)課程的進(jìn)度與教學(xué)內(nèi)容，對教學(xué)所使用的電路繪制了虛擬仿真電路，對課本中的例題及課后習(xí)題也進(jìn)行了詳細(xì)的仿真與實(shí)現(xiàn)。在教學(xué)過程中，首先由教師對所學(xué)內(nèi)容或所要運(yùn)算的題目進(jìn)行講授，然后由學(xué)生自主繪制虛擬仿真電路，通過對學(xué)生繪制的電路圖進(jìn)行點(diǎn)評及教師所做標(biāo)準(zhǔn)電路的分析，使得學(xué)生能夠深入掌握所學(xué)知識點(diǎn)。

4 結(jié)論

本課題從教學(xué)內(nèi)容的確定，到教學(xué)手段的選取以及教學(xué)方法的使用都進(jìn)行了改革。從教學(xué)內(nèi)容來說，在原有課程體系基礎(chǔ)上針對高職學(xué)生的學(xué)習(xí)能力與基礎(chǔ)知識的掌握情況，適當(dāng)補(bǔ)充一些基礎(chǔ)性的知識與內(nèi)容；同時(shí)針對后續(xù)課程的需要，調(diào)整一些現(xiàn)有課程知識內(nèi)容的體系與難易程度；從教學(xué)手段來說，將原來更多的關(guān)注學(xué)生對電路的分析與計(jì)算能力培養(yǎng)，過渡到對學(xué)生使用軟件進(jìn)行電路的搭建與觀察的能力。

通過本課題的研究與實(shí)施，對于高職教育中《電路分析》課程的原有授課模式進(jìn)行了一定程度上的改革，將過去以理論計(jì)算為主體的教學(xué)模式轉(zhuǎn)化為以動手搭建電路、設(shè)置電路參數(shù)、觀察電路運(yùn)行效果的行動型課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的積極性明顯得到提高，學(xué)習(xí)效果得到明顯的改善，同時(shí)使學(xué)生對電路的概念與功能能夠獲得更加直觀的了解，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。