EWB仿真軟件在電類基礎(chǔ)課程中的教學(xué)研究與實(shí)踐

海軍大連艦艇學(xué)院基礎(chǔ)部 李 玲 周 波 趙冬梅 郭 姣

0 引言

“電路分析基礎(chǔ)”和“電子技術(shù)基礎(chǔ)”是我國(guó)高等院校教育中最基礎(chǔ)的兩門電類課程，是工程技術(shù)類專業(yè)學(xué)員入校以來最先接觸的兩門專業(yè)基礎(chǔ)課，也是后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)[1]。該類課程概念定理多、內(nèi)容豐富復(fù)雜，又與實(shí)際聯(lián)系緊密，歷來是學(xué)員比較畏懼的學(xué)科。因此，在有限的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)盡可能的幫助學(xué)員理解教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)員的工程實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力是每一名教員的職責(zé)所在。

現(xiàn)行的電類基礎(chǔ)課程教學(xué)模式存在的最大問題是理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫節(jié)[2]。教員在課堂上更加注重于理論知識(shí)的傳授，學(xué)員無法真實(shí)感受到電路的可實(shí)現(xiàn)性，更無法判斷理論分析方案的正確性；而實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常在完成一定教學(xué)任務(wù)之后再做安排，學(xué)員在聽理論課時(shí)由于不能及時(shí)與實(shí)際聯(lián)系上，對(duì)理論難以理解，形成對(duì)電類課程“抽象、難學(xué)”的思想障礙，從而失去學(xué)習(xí)的信心；同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的滯后，學(xué)員對(duì)教學(xué)內(nèi)容的感性認(rèn)識(shí)已被延遲，對(duì)于某個(gè)學(xué)習(xí)內(nèi)容起初產(chǎn)生的興趣也會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸消失[2]。針對(duì)此問題，筆者在對(duì)比多種仿真軟件的基礎(chǔ)上提出在電類基礎(chǔ)課程教學(xué)中廣泛應(yīng)用(Electronics Workbench,EWB)軟件，以便學(xué)員能夠及時(shí)深刻理解所學(xué)知識(shí)。

1 主流電子電路仿真軟件對(duì)比

自20世紀(jì)60年代電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronics Design Automation,EDA)技術(shù)誕生以來，電子工程師們就一直在積極探索具有電路設(shè)計(jì)和仿真功能的軟件，Matlab、Proteus、EWB等各種仿真軟件層出不窮[3]。如今，電子電路仿真技術(shù)已是每名相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)者和工作者必須掌握的技術(shù)之一，為了能夠在課堂教學(xué)中選擇最便于教員教學(xué)和學(xué)員學(xué)習(xí)的仿真軟件，需要對(duì)各類軟件做詳細(xì)分析。表1給出了幾款主流電子電路仿真軟件的優(yōu)缺點(diǎn)。

經(jīng)過對(duì)上述幾款軟件的性能對(duì)比發(fā)現(xiàn)：Matlab、Cadence、Proteus和Multism這四款軟件功能都比較齊全，但存在的問題是軟件操作復(fù)雜且體積較大，比較適用于已具備一定電子電路基礎(chǔ)的相關(guān)人員使用。而Tina和EWB這兩款軟件，雖然功能不很完善，但幾乎可以對(duì)電學(xué)中所有基本定律和定理進(jìn)行仿真和演示，并且工作界面非常簡(jiǎn)單，操作起來十分方便，特別適用于剛剛接觸電子電路知識(shí)的初學(xué)者使用。另外，這兩款軟件的體積都很小，Tina僅有100M，安裝起來毫不費(fèi)力；而EWB更是只有20M，運(yùn)行時(shí)無需安裝，直接雙擊exe文件即可打開界面，因此尤其適合課堂教學(xué)和課余自主學(xué)習(xí)。

表1 主流電子電路仿真軟件優(yōu)缺點(diǎn)

2 EWB軟件在電類基礎(chǔ)課程中的教學(xué)實(shí)踐

鑒于EWB仿真軟件對(duì)于學(xué)習(xí)者和教學(xué)者的諸多優(yōu)勢(shì)，筆者所在教學(xué)小組在“電路分析基礎(chǔ)”和“電子技術(shù)基礎(chǔ)”這兩門電路基礎(chǔ)課的教學(xué)過程中嘗試引入了EWB仿真，取得了較好的教學(xué)效果，現(xiàn)以“電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）”中“甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路[4]”一節(jié)為例進(jìn)行詳細(xì)論述。

2.1 仿真融入契機(jī)

在課堂教學(xué)中引入EWB仿真是為了理論聯(lián)系實(shí)際，幫助學(xué)員理解教學(xué)內(nèi)容，增加學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，而恰如其分的融入EWB仿真正是取得授課效果的前提，因此，教員在授課之前應(yīng)對(duì)教學(xué)過程進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)。

圖1給出了“甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路”一節(jié)的詳細(xì)教學(xué)流程設(shè)計(jì)，在整個(gè)授課過程中安排三次EWB仿真實(shí)驗(yàn)，第一次仿真安排在課程開始階段，用于吸引學(xué)員注意，調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)興趣，并通過仿真提出問題進(jìn)入本次課的學(xué)習(xí)；第二次仿真安排在解決問題后的驗(yàn)證階段，用于驗(yàn)證所實(shí)現(xiàn)電路是否解決已提出的問題，并通過仿真再次提出新的問題，培養(yǎng)學(xué)員發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的探究式學(xué)習(xí)能力；第三次仿真安排在再次解決問題后的驗(yàn)證階段，不僅可以驗(yàn)證所改進(jìn)電路是否解決問題，還能增加學(xué)員的信服力，培養(yǎng)其理論聯(lián)系實(shí)際能力。

圖1 詳細(xì)教學(xué)流程設(shè)計(jì)

2.2 仿真電路搭建

正確而直觀的仿真電路是取得仿真效果的保障。對(duì)于簡(jiǎn)單電路的搭建可在課堂上現(xiàn)場(chǎng)完成，既可以吸引學(xué)員注意,增加其信服力，又可以使其潛移默化學(xué)習(xí)到軟件的用法。由于課堂時(shí)間有限，較為復(fù)雜的電路可提前在備課過程中搭建并調(diào)試好，授課過程中主要分析電路運(yùn)行的結(jié)果。如“甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路”一節(jié)授課內(nèi)容較多，且所研究電路結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，為節(jié)省課上時(shí)間，筆者在授課前已在EWB中搭建好甲類功放和乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功放這兩個(gè)仿真電路，如圖2(a)、(b)所示。而甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功放是在乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功放的基礎(chǔ)上稍加改動(dòng)得到的，因此可在課堂上現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行改進(jìn)。

圖2 功率放大電路

2.3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果的正確與否關(guān)乎所授知識(shí)的正確性，更是解決問題的關(guān)鍵，因此教員要引領(lǐng)學(xué)員對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真觀察并詳細(xì)分析。圖3(a)、(b)、(c)給出了“甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路”一節(jié)中三個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，圖中上方波形均表示輸入信號(hào)，下方波形均表示輸出信號(hào)。

甲類功放的仿真結(jié)果如圖3(a)所示，從圖中可以明顯看出，輸出波形僅有正半周期，負(fù)半周期失真，故需對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)分析可補(bǔ)充一個(gè)僅輸出負(fù)半周期的甲類功放，構(gòu)成乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功放；從理論上分析此功放輸出信號(hào)不失真，故對(duì)此電路進(jìn)行EWB仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖3(b)所示，輸出波形正負(fù)半周期都有輸出，但是卻在正負(fù)半周期的交界處出現(xiàn)了失真，因此需再次分析原因并對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)；由于此次失真僅出現(xiàn)在正負(fù)半周期交界處，所以引導(dǎo)學(xué)員思考理論與實(shí)際的差別，找到產(chǎn)生失真的原因，最終通過在兩個(gè)三極管基極之間加上兩個(gè)二極管，抬高兩個(gè)PN結(jié)之間的電壓來解決此問題，即構(gòu)成甲乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功放，最后再利用EWB驗(yàn)證得到如圖3(c)所示的結(jié)果，輸出波形與輸入波形相比，無任何失真[4-5]。

圖3 EWB仿真波形

2.4 教學(xué)實(shí)踐結(jié)論

EWB仿真的適時(shí)引入，不僅吸引了學(xué)員注意，活躍了課堂氣氛，而且提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，使課堂利用率得以很大提高。通過本次課的學(xué)習(xí)，學(xué)員對(duì)“甲類”、“乙類”及“甲乙類”等各種概念的理解特別到位，對(duì)“半波失真”和“交越失真”產(chǎn)生的原因及改進(jìn)措施掌握尤其牢固，對(duì)三種功率放大電路的優(yōu)缺點(diǎn)及相互之間的聯(lián)系把握非常準(zhǔn)確。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代的世界是電子的世界，種類繁多的電子產(chǎn)品為我們的生活和工作帶來了諸多便利和幫助。在課堂教學(xué)過程中適時(shí)引入小巧、便捷的EWB電子仿真軟件，打破了死板、枯燥的理論教學(xué)模式，解決了理論與實(shí)驗(yàn)脫節(jié)問題，使學(xué)員變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)探究式學(xué)習(xí)，既可以提高課堂授課效果，又可以培養(yǎng)學(xué)員的理論聯(lián)系實(shí)際能力，激發(fā)他們的探索創(chuàng)新欲望，提高實(shí)際工程素養(yǎng)，同時(shí)還可以潛移默化的培養(yǎng)學(xué)員的邏輯思維能力和終身學(xué)習(xí)能力。