虛擬仿真技術(shù)在中職基爾霍夫定律教學(xué)中的應(yīng)用

段 揚(yáng) 姬五勝 周偉偉

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

傳統(tǒng)教學(xué)模式下，基爾霍夫電流定律的教學(xué)比較單一。隨著現(xiàn)代化教學(xué)手段的采用，大多數(shù)教師利用翻轉(zhuǎn)課堂法、問(wèn)題探究法、分組討論法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、啟發(fā)教學(xué)法等進(jìn)行教學(xué)。利用翻轉(zhuǎn)課堂法提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，利用問(wèn)題探究法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，利用分組討論法培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，利用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法培養(yǎng)學(xué)生小組合作精神，利于啟發(fā)教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)推廣應(yīng)用［1］。在中職電子的實(shí)際教學(xué)中，由于學(xué)校的教學(xué)資源、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地以及師資力量不足，很難完全創(chuàng)造高效率、情景化的教學(xué)條件與環(huán)境。利用實(shí)驗(yàn)室某些教學(xué)設(shè)備與先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)建一個(gè)虛擬的教學(xué)系統(tǒng)，不僅可以克服已有教學(xué)資源的不足，而且還可以學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)虛擬化和直觀化的教學(xué)環(huán)境［2］?！疤摂M仿真”也可以稱為“仿真技術(shù)”或者是“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”，它是一種可以和虛擬世界進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)的虛擬系統(tǒng)。20世紀(jì)40年代，虛擬仿真技術(shù)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成。從發(fā)展之始到如今，虛擬和仿真技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)而迅速發(fā)展，在系統(tǒng)仿真、方法論和計(jì)算機(jī)仿真軟件的交互性、生動(dòng)性、直觀性等方面取得了比較大的進(jìn)步。2015年，國(guó)家提出專項(xiàng)建設(shè)虛擬仿真技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室的通知［3］。近年來(lái)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室發(fā)展迅猛。虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中得到了迅速推廣，逐步成熟。筆者首先分析了傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，通過(guò)分析教學(xué)過(guò)程中中職學(xué)生的心理狀況，闡明虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，然后以基爾霍夫定律的教學(xué)為例，分別采用LabVIEW和Multisim創(chuàng)建了虛擬仿真教學(xué)環(huán)境，通過(guò)建模仿真，不僅直觀地呈現(xiàn)出基爾霍夫定律的原理，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)基爾霍夫定律的理解，而且同時(shí)呈現(xiàn)出互動(dòng)的課堂學(xué)習(xí)氛圍，提高了教學(xué)的效果。

1 中職學(xué)生課堂心理分析與虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

中職學(xué)生的課堂心理健康狀況不理想，主要突出表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是自卑心較強(qiáng)，遇事退縮，不愿意付出，學(xué)習(xí)態(tài)度以及生活態(tài)度消極；二是心理承受力差，意志力薄弱，易產(chǎn)生排斥心理，不愿意接受教師的批評(píng)與督促。這就需要用區(qū)別于普通教育的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)［4-5］。電工電子課程時(shí)操作性較強(qiáng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于各種因素會(huì)造成少許誤差，容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗，打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，不利于學(xué)生的發(fā)展和課程的學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)中職電工電子實(shí)驗(yàn)主要是在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上插入相關(guān)元器件來(lái)完成實(shí)驗(yàn)。從學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的效果看來(lái)，對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如：基爾霍夫定律的驗(yàn)證、疊加定律的驗(yàn)證等，學(xué)生實(shí)際實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論與教學(xué)中的理論結(jié)論會(huì)存在誤差［6］。這樣的實(shí)驗(yàn)不利于學(xué)生知識(shí)的鞏固。虛擬仿真教學(xué)的出現(xiàn)避免了實(shí)驗(yàn)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，能最大限度發(fā)揮有限的教學(xué)資源的利用率，有效提高學(xué)生的探究學(xué)習(xí)熱情。由于中職學(xué)校教學(xué)資金的不足，很多學(xué)校的電子電工設(shè)備和儀器相對(duì)會(huì)很少，但是通過(guò)“虛擬仿真”教學(xué)技術(shù)，就可以創(chuàng)建出很多虛擬的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，這樣在一定程度上不僅解決了目前中職學(xué)校存在的問(wèn)題，而且還可以增加一些因?yàn)閮r(jià)格問(wèn)題無(wú)法解決的教學(xué)設(shè)備，也可以在虛擬系統(tǒng)上進(jìn)行模擬操作訓(xùn)練。這樣，教師的教學(xué)效果大大提升，同時(shí)教學(xué)設(shè)備的損耗也會(huì)降低，學(xué)生還能鞏固自己的專業(yè)知識(shí)。在教學(xué)過(guò)程中，教師利用虛擬仿真軟件，以學(xué)生為主體，引導(dǎo)他們進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)。這樣為學(xué)生創(chuàng)建了豐富的教學(xué)課堂，可以幫助學(xué)生完成知識(shí)的建構(gòu)，提高學(xué)生的專業(yè)技能和理論知識(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生的就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［7］。NI推出的Lab-VIEW和Multisim等仿真軟件所搭建的電路仿真平臺(tái)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)電工電子實(shí)訓(xùn)的許多不足，解決實(shí)際教學(xué)情況下的許多問(wèn)題，幫助每個(gè)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。虛擬仿真教學(xué)提高了課程的教學(xué)質(zhì)量，提升了中職學(xué)生的技能水平，最終達(dá)到提升教學(xué)效果的作用了。

2 虛擬仿真技術(shù)在基爾霍夫定律教學(xué)中的應(yīng)用

在實(shí)際教學(xué)中，基爾霍夫定律不容易直接得出結(jié)論，需要教師通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示，多次測(cè)量，最終驗(yàn)證定律，理解電流、電壓關(guān)系的表達(dá)式。虛擬仿真技術(shù)為教學(xué)提供可能性，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了理想的理論驗(yàn)證條件。LabVIEW具有圖形化界面的優(yōu)勢(shì)，Multisim界面簡(jiǎn)潔、操作方便，應(yīng)用比較廣泛。

2.1 LabVIEW的基爾霍夫定律仿真

2.1.1 基爾霍夫電流定律仿真 如圖1所示，是用仿真軟件創(chuàng)建的模擬電路。運(yùn)行時(shí)，學(xué)生可以給電壓Us、電阻R1、R2、R3設(shè)置不同的值。3條支路上電流分別為I1、I2、I3分別顯示在波形圖中，寫入功能可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Excel文件中，讀取功能將I2+I3、I1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別顯示在第二、第三個(gè)波形圖中。通過(guò)對(duì)比波形圖，在讓學(xué)生親眼看到在不同電阻值的條件下，支路電流的關(guān)系：即為任何時(shí)刻，流出任意節(jié)點(diǎn)的支路電流等于流入該結(jié)點(diǎn)的支路電流。圖2是該程序?qū)?yīng)的程序框圖。通過(guò)這個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，直觀看到支路電流的關(guān)系，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生可以主動(dòng)地參與到仿真實(shí)驗(yàn)中，能幫助學(xué)生理解基爾霍夫電流定律，加深對(duì)這個(gè)定律的理解。同實(shí)際教學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)相比，結(jié)果更加直觀，學(xué)生可以直接通過(guò)波形圖得到最終結(jié)論。

圖1 LabVIEW驗(yàn)證基爾霍夫電流定律前面板設(shè)計(jì)

圖2 LabVIEW驗(yàn)證基爾霍夫電流定律程序框圖設(shè)計(jì)

2.1.2 基爾霍夫電壓定律仿真 用LabVIEW進(jìn)行仿真，得到如圖3所示的驗(yàn)證基爾霍夫電壓定律的前面板。運(yùn)行時(shí)，學(xué)生可以給電壓Us、Um和電阻R1、R2、R3設(shè)置不同的值。三條支路上電壓值分別為U1、U2、U3。寫入功能可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Excel文件中，分析電路知道該電路有兩個(gè)環(huán)路，讀取功能將U1、U2和Us顯示在第一個(gè)波形圖，U2、U3和Um顯示在第二個(gè)波形圖，U1+U2、U2+U3分別顯示在波形圖3、圖4中。通過(guò)對(duì)比波形圖，在讓學(xué)生親眼看到在不同電阻值的條件下，環(huán)形閉合回路的電壓定律。即為任何時(shí)刻，沿閉合回路電壓降的代數(shù)和等于零。圖4是該程序?qū)?yīng)的程序框圖。LabVIEW驗(yàn)證基爾霍夫電壓定律的仿真實(shí)例，首先要在分析好電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行，然后通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證定律。在仿真應(yīng)用時(shí)，一方面，促進(jìn)課堂的教學(xué)氛圍，激發(fā)學(xué)生的興趣，提高教學(xué)的效率；另一方面，提高了學(xué)生的綜合能力，有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展。

圖3 LabVIEW驗(yàn)證基爾霍夫電壓定律前面板設(shè)計(jì)

圖4 LabVIEW驗(yàn)證基爾霍夫電壓定律程序框圖設(shè)計(jì)

2.2 Multisim的基爾霍夫定律仿真

Multisim軟件結(jié)合了直觀性和仿真性，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證［8］。下面，我們通過(guò)Multisim仿真的兩個(gè)實(shí)例驗(yàn)證基爾霍夫定律。

2.2.1 基爾霍夫電流定律仿真 在電子仿真軟件Muhisim 14.0界面中搭建如圖5所示驗(yàn)證基爾霍夫電流定律的仿真電路。運(yùn)行仿真程序，從各支路萬(wàn)用表顯示的數(shù)據(jù)看出：驗(yàn)證了基爾霍夫電流定律：流入結(jié)點(diǎn)A的電流等于從結(jié)點(diǎn)A流出電流的和，即 I2（5.518 mA）+I3（8.276 mA）=I1（0.014 A）=14 mA。

圖5 驗(yàn)證基爾霍夫電流定律的仿真電路

使用Multisim可以交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真，對(duì)于驗(yàn)證性的仿真實(shí)驗(yàn)，十分簡(jiǎn)單易行；而且使用Multisim進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有直觀化的特點(diǎn)，Multisim仿真功能強(qiáng)大，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

2.2.2 基爾霍夫電壓定律仿真 電路如圖6所示， 已 知：R1=2Ω、 R2=6Ω、R3=3Ω、 R4=5Ω、RS=4Ω、V1=12V。用Multisim對(duì)圖6的電路進(jìn)行仿真，得到如圖7所示的驗(yàn)證基爾霍夫電壓定律的仿真電路。

圖6 驗(yàn)證基爾霍夫電壓定律的電路

運(yùn)行仿真程序，可以通過(guò)改變V1電壓，電路中的電壓變化可以在電壓表上顯示。由圖7可知，符合基爾霍夫電壓定律：環(huán)形閉合回路各電壓代數(shù)之和為零。

圖7 驗(yàn)證基爾霍夫電壓定律的仿真電路

2.3 LabVIEW和Multisim在教學(xué)的優(yōu)缺點(diǎn)

兩種方法下的仿真都有各自優(yōu)勢(shì)：LabVIEW設(shè)計(jì)的仿真程序可以直觀的在波形圖上看到數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，是最為直觀的一種方式，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)更容易學(xué)習(xí)與記憶，同時(shí)還可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存下來(lái)，對(duì)于存在定量關(guān)系的原理實(shí)驗(yàn)，更加有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)分析。而Multisim設(shè)計(jì)的仿真程序?qū)?shí)際的電路圖轉(zhuǎn)化為軟件中的模擬電路，通過(guò)萬(wàn)用表等虛擬儀器實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，不需要計(jì)算直接通過(guò)軟件后臺(tái)得到的，同時(shí)可以交互控制電路的測(cè)量和運(yùn)行的過(guò)程，節(jié)省了教學(xué)時(shí)間。

3 結(jié) 語(yǔ)

LabVIEW和Multisim仿真可以應(yīng)用到中職電工電子課程教學(xué)中［9］。LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，可視化效果很好，主要優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)用LabVIEW虛擬仿真技術(shù)，可以使電路原理得分析更加簡(jiǎn)單直觀；Multisim比LabVIEW出色的地方是提供了多種常用的虛擬儀表，Multisim的虛擬儀表與現(xiàn)實(shí)中所使用的儀表一樣，可以直接通過(guò)這些儀表觀察電路的運(yùn)行狀態(tài)；靈活運(yùn)用好這兩個(gè)仿真軟件，揚(yáng)長(zhǎng)避短，能在電路教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、仿真分析與設(shè)計(jì)的實(shí)踐過(guò)程中起到積極的作用。虛擬仿真技術(shù)是時(shí)代的產(chǎn)物，在實(shí)際教學(xué)中起到了重要作用。虛擬仿真教學(xué)在中等職業(yè)院校教學(xué)中的應(yīng)用還處于研究和探索的階段，在教學(xué)應(yīng)用的過(guò)程中還有很多的問(wèn)題需要解決。