基于“理實一體、虛實融合”理念的電路分析與設(shè)計課程教學(xué)改革

【摘要】針對電路分析與設(shè)計難教難學(xué)的現(xiàn)狀，提出理實一體、虛實融合的教學(xué)思想，并在助推漸進式的教學(xué)模式中有效落實。應(yīng)用先進的PROTEUS仿真軟件進行電路的前期設(shè)計、仿真、調(diào)試，理論與實踐一體，解決做什么、怎么做、為什么，再以此經(jīng)驗指導(dǎo)實物制作與測試，虛實融合有效提高學(xué)習(xí)效率，提高學(xué)生的電路分析、設(shè)計能力。

【關(guān)鍵詞】理實一體 ?虛實融合 ?電路設(shè)計 ?助推漸進式 ?教學(xué)模式

【Abstract】Specifically for the difficuty of teaching and studying of the circuit analysing and designing， bring forward the teaching thought of integration of theory and practice， fusion of simulation and reality， and have an effect to feel at ease in boosting the dyadic teaching pattern advancing gradually. Applying advanced simulation software PROTEUS to design ，emulation ， debugging circuit， integrat the theory and practice， solve what to do ， how to do and why to do. Under these experience help to make and test material object， fuse simulation and reality ， effectly to raise the analysis and design capacity .

【Keywords】integration of theory and practice; fusion of simulation and reality; circuit design; help and drive progressing gradually;teaching model

【基金項目】1.2015年度高等教育教學(xué)改革項目和課堂教學(xué)改革項目，（項目編號： kg2015799）;2.2015年度省教育技術(shù)研究規(guī)劃課題，（項目編號： JB103）。

【中圖分類號】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）35-0208-03

電子電路的分析、設(shè)計制作課程是數(shù)電、模電的后繼課程，定位為數(shù)模電綜合應(yīng)用能力提升，是電類專業(yè)學(xué)生的一項基礎(chǔ)必備能力，也是應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)的核心能力。師生普遍感覺電子電路難教、難學(xué)。分析原因主要有：

（1）元件認(rèn)知等基本知識缺乏，知識零散。

（2）喜歡操作，邏輯思維能力較欠缺。

（3）教學(xué)內(nèi)容、方法對學(xué)生引導(dǎo)、興趣激發(fā)不夠強。

（4）檢測技能欠缺，檢測方法缺乏規(guī)范系統(tǒng)性的訓(xùn)練，在實物實踐性極強的課程中作品制作耗時大，尤其在理論薄弱的情況下作品調(diào)試測試舉步維艱，推進緩慢。

針對這一普遍問題，將仿真技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中。在助推漸進式的教學(xué)過程中充分利用仿真軟件的“繪我所想，所見即所得”的可視化特點，激發(fā)興趣，接著進行電路制作前的仿真設(shè)計與調(diào)試，理論與實踐一體，在做中學(xué)，掌握知識與科學(xué)的方法，解決做什么、怎么做、為什么，最后以仿真實踐經(jīng)驗指導(dǎo)規(guī)范地制作實物、不斷調(diào)試修正直到成功！虛實融合，仿真在實物完成中落地有聲，有效提升學(xué)生的電路分析、設(shè)計能力。

1.選擇PROTEUS仿真軟件作為教學(xué)平臺

1.1理論、實驗、仿真是科學(xué)的學(xué)習(xí)內(nèi)容、方法[1]

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。仿真技術(shù)“成為認(rèn)識客觀世界的除理論、實驗之外的第三種方法”（王子才院士）?！翱茖W(xué)還包含第3個方面的內(nèi)容，即計算機仿真，并由計算機仿真將理論和實驗兩方面連接起來?！保绹皣铱茖W(xué)基金會主任Rita Colwell）。仿真技術(shù)已有半個世紀(jì)的發(fā)展歷史，促進了科技、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、經(jīng)濟、社會等的發(fā)展。例天氣預(yù)報、核爆炸、航空航天業(yè)、橋梁工程等的仿真研究、VR眼鏡等。

1.2選擇PROTEUS進行電路分析與仿真[2-5]

將仿真技術(shù)作為內(nèi)容和方法手段融入教學(xué)（仿真教學(xué)）也是教學(xué)發(fā)展的必須途徑，當(dāng)下火熱的信息化教育教學(xué)建設(shè)，正是校、政、企、行共同推動的結(jié)果。如中國教育技術(shù)協(xié)會仿真技術(shù)專業(yè)委員會于2013年成立“電子信息類仿真研究會”，旨在強力助推電信類課程建設(shè)。

在國內(nèi)外的電子課程中都有不同程度的應(yīng)用仿真技術(shù)。如劍橋等大學(xué)以PROTEUS仿真平臺作為電子設(shè)計教學(xué)與考核的載體與工具。國內(nèi)電路類課程教學(xué)主要用MULTISIM，PRORTEUS與MULTISIM都是源自SPICE3F5同一仿真內(nèi)核，但PRORTEUS顯示直觀、交互便捷的特點明顯優(yōu)于MULTISIM，更適合善于形象思維的高職學(xué)生。

2.實用項目、可視化講解激發(fā)興趣

2.1選擇日常實用的電路

學(xué)用結(jié)合，以實用的價值抓住高職學(xué)生。所以選擇日常實用電路，如定時開關(guān)電路（如樓梯或衛(wèi)生間的燈）、光控開關(guān)和報警電路、消防車聲音報警電路、售票或超市門禁等身高范圍檢測電路、三極管β值分選電路、電子脈搏計電路、順序控制電路、溫度控制電路、紅外水龍頭控制電路、數(shù)控步進電機（如繞線機）、可燒性氣體報警電路（如賓館內(nèi)）等。

2.2 看視頻、明目標(biāo)、增信心

看電路實物作品運行視頻，視聽結(jié)合，感受更真實，更易激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，如暗動報警，手一遮擋光敏電阻，便發(fā)聲警示;如雙音報警電路確實能發(fā)出像消防車的聲音;再如可燃性氣體報警器，運行過程很清楚，先上電預(yù)熱，黃燈亮，綠燈表示正常，預(yù)熱后黃燈滅;檢測到危險氣體時紅燈亮，并發(fā)聲報警！同時傳遞“看得清，做得到，行得通”榜樣力量以增強學(xué)習(xí)信心。

2.3仿真分析知原理，挖掘知識深度

以圖1振鈴音響電路為例。

圖1 振鈴音響電路原理圖

三級CMOS反相器構(gòu)成的多諧振蕩電路級聯(lián)形成間隔性的蛐蛐蛐蛐——蛐蛐蛐蛐的音響電路。第一級如圖1中虛線框內(nèi)，為超低頻振蕩器，決定第二級（U1：C、U1：D）的低頻振蕩間隔時長，第二級決定發(fā)聲緩急，第三級決定發(fā)何種音的音頻。借助虛擬示波器很容易理解三級振蕩的控制關(guān)系，如圖2所示，還可觀測信號周期，即可觀形更可測精確值！調(diào)整C1、R2則改變每段蛐—蛐聲的間隔;調(diào)整C2、R5改變發(fā)聲緩急;調(diào)整C3、R7改變聲音。結(jié)合仿真波形和二極管單向?qū)ㄣQ位作用，使第二級在第一級輸出高電平時振蕩，第三級在第二級高電平時振蕩。若二極管反接，則后一級在前一級低電平期間振蕩。再做進一步挖掘，若D1、D2中只保留一個會怎樣？D1、D2都去掉會怎樣？并做出合理解釋！帶著問題進行下一步的仿真實踐！

圖2 用虛擬示波器觀測振鈴音響電路的信號波形

3.助推漸進式的教學(xué)模式

由于高職學(xué)生基礎(chǔ)及學(xué)習(xí)習(xí)慣特點，在漸進式教學(xué)進程中老師的助推是有效教學(xué)的保證！如圖3所示，在課堂上進行三段助推。

圖3 助推漸進式教學(xué)主線示意圖

以觸摸延時開關(guān)電路為例，首先是課題簡介，接著播放實際電路的運行視頻，手一摸燈就亮，維持約30秒。劃分電路功能模塊，按信號流向設(shè)計出電路框圖，如圖4上部，明確做什么！接下來進行電路仿真演示并適當(dāng)?shù)胤治?、講解。

圖4 觸摸開關(guān)的控制框圖及在各狀態(tài)下電流流向示意圖

3.1“看電流流向”初步分析電路

借助PROTEUS的電流探針，看電路工作狀態(tài)，初步理解電路工作原理。如圖4左側(cè)未觸摸時Q2、Q3中無電流;當(dāng)觸摸的瞬間，Q1放大電流使Q2迅速飽和同時通過R2對C1充電，Q3也導(dǎo)通LED得電發(fā)光;手松開， Q2截止，C1通過R2、R3-Q3放電，流過LED的電流慢慢下降，燈漸滅。

3.2捕捉、分析電壓軌跡，理解電路原理

在圖4 中標(biāo)出5個結(jié)點，A、B、C、D、E，它們的結(jié)點電壓表示為Va～Ve。如圖5應(yīng)用PROTEUS圖表仿真功能進行電壓變化分析。末觸摸時Va電平約0.6V，LED的陽極Ve也是0;而電容陰極C結(jié)點、Q3的基極D結(jié)點狀態(tài)相當(dāng)于電源引線開路，故此時Vc=Vd=Vcc=5V。一觸摸，三個三極管相繼迅速導(dǎo)通，Va≈1.5V， Q1放大電流使Q2極速飽和，Q3導(dǎo)通當(dāng)開關(guān)用，其基級電平基本維持在4.3V，Q2的c極電平迅速降低接近0，同時電容C1快速充電，充電結(jié)束時LED陽極電平Ve≈4.4V，手一松開，放電開始，Q1截止，Va接近0V，C結(jié)點電平Vc隨放電抬升，Q3趨向截止，LED陽極電平Ve則緩降。Ve小于LED閾值時截止無電流。也可通過電流探針觀測各支路的電流。

圖5 用PROTEUS交互圖表進行關(guān)鍵結(jié)點電壓分析

通過以上仿真分析，電路瞬態(tài)及不可見的電壓電流的漸變過程非常明了。很容易理解電容這一儲能元件因為放電而形成的燈亮延時的效果;理解了三極管的開關(guān)，放大，截止三種工作狀態(tài)。

3.3仿真實踐，“三導(dǎo)”助學(xué)，促進師生發(fā)展

接下來每個學(xué)生進行仿真設(shè)計、調(diào)試與測試實踐，鼓勵同學(xué)相互討論交流學(xué)習(xí)，教師在學(xué)生中間走動，實施三導(dǎo)教學(xué)，即“方法引導(dǎo)”、“實踐行動督導(dǎo)”、“及時指導(dǎo)”。紙上得來終覺淺，親自實踐才是硬道理。學(xué)生在PROTEUS仿真平臺上將自己的思想通過電路繪制表達(dá)出來，接著進行仿真測試并判斷正誤，根據(jù)公式τ≈RC計算充放電時長，觀測LED亮多少秒？修改電容值為470μF或R2、R3的值，觀測LED燈亮?xí)r長，進一步理解充放電過程及其時間的決定因素！不斷修改測試直到成功。在這樣的想、繪、測、判、改循環(huán)操練中，理性思維與理性的實踐密切配合，即掌握了設(shè)計工具的應(yīng)用，也通過仿真測試、判斷，加深理解了電路原理，深入理解理論又促使設(shè)計實踐少走彎路，提高學(xué)習(xí)效率。邊動手邊動腦的學(xué)做一體反復(fù)訓(xùn)練下，學(xué)生清楚自己在做什么，也逐漸明白為什么這樣設(shè)計！一點點積累成功經(jīng)驗，體驗收獲的喜悅，學(xué)習(xí)信心一步步加強，學(xué)習(xí)興趣也就在不自覺中建立起來，能利用仿真平臺進行自主探索學(xué)習(xí)，獲得更大的學(xué)習(xí)自由性和發(fā)揮空間。老師也逐漸得到解放，關(guān)注前沿、改革教學(xué)，形成良好的教與學(xué)相長。

3.4進階設(shè)計，訓(xùn)練創(chuàng)新思維與能力

想一想，改一改，測一測，可能有新發(fā)現(xiàn)！

（1）R4的作用是什么？修改阻值觀測LED電流進行分析。（2）電源在5V和12V時的電路狀態(tài)有何差異？（3）在Q3的集電極增加一電平指示電路（用LM3914搭建），更直觀地觀測放電時輸出電平漸小過程。（4）試自行查資料分析觸摸延時照明電路。

4.實物作品制作與調(diào)試

仿真成功后再進行實物制作，學(xué)生實踐目標(biāo)非常明確，實物評測方法與標(biāo)準(zhǔn)也已在仿真時完成訓(xùn)練，所以成功率一般在90%以上。虛與實的結(jié)合使高效的仿真學(xué)習(xí)在實物實現(xiàn)中安全著陸。平時以仿真訓(xùn)練為主，可適當(dāng)安排約5次實物制作訓(xùn)練，一人一作品。期末為綜合作品仿真設(shè)計與制作。

首先自行負(fù)責(zé)領(lǐng)元件。老師預(yù)先將元件分類放置，學(xué)生按自己的電路元件清單自認(rèn)自領(lǐng)，自測好壞。其次電路布局、焊接：布局沿電流方向;接線規(guī)矩：電源、地線分別為紅、黃色，其它連線用別的顏色導(dǎo)線;元件面盡量少走線;焊接面直線整潔清晰;需操作元件方位要便于操作。接著測試：（1）上電前進行通、斷檢查;（2）電路無誤后通電，觀測現(xiàn)象，并記錄燈亮?xí)r長，做好如表1所示的報告;（3）可接入示波器觀測充放電過程;（4）處理實物調(diào)試中的問題，并做好記錄。最后答辯展示交流！

表1 觸摸延時開關(guān)電路設(shè)計與制作報告

5.結(jié)論

仿真是科學(xué)先進的學(xué)習(xí)方法與手段！將實用電路項目、仿真實踐、作品制作有機結(jié)合，進行“理實一體、虛實融合”的教學(xué)改革研究與實踐有效地提高了學(xué)生的理論與實踐技能，培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ虘B(tài)度和科學(xué)的學(xué)習(xí)方法。也為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供了較好的平臺條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]張靖武，周靈彬.高職仿真教學(xué)研究與實踐[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2009（8） P64-66

[2]張靖武，周靈彬.單片機原理、應(yīng)用與PROTEUS仿真（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014：P151-154

[3]曹發(fā)強.仿真技術(shù)在職教電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].《都市家教：下半月》，2013（5）P194

[4]陳軍.Proteus仿真技術(shù)與數(shù)字電路教學(xué)整合的實踐，《大學(xué)物理實驗》，2012（3）P92-94

[5]“基于PROTEUS的電子產(chǎn)品的仿真設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010（9）P74-77

作者簡介：

周靈彬（1978-），女，甘肅人，副教授，碩士。主要研究方向：智能控制。