淺談電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

王正

摘 要：為了保證學(xué)員學(xué)習(xí)電子技術(shù)課程的連貫性，充分利用課余時間，提高實(shí)踐動手能力，文章首先對電子技術(shù)信息化教學(xué)進(jìn)行了概述，接著介紹了Multisim仿真軟件，最后提出了虛擬仿真技術(shù)在電子技術(shù)信息化實(shí)踐教學(xué)中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;電子技術(shù);Multisim仿真軟件

目前大多數(shù)高校的多個專業(yè)都開設(shè)有電子技術(shù)課程，該課程是一門理論性和實(shí)踐性都非常強(qiáng)的課程，需要學(xué)員扎實(shí)掌握電路原理和分析方法，具備模擬和數(shù)字電路的分析設(shè)計(jì)能力。面對日新月異的新技術(shù)和新知識，轉(zhuǎn)變教育思想和教育觀念，用新的理念改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，特別是在新工科背景下推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)改革[1]，從而培養(yǎng)工程實(shí)用型人才，一項(xiàng)重要的舉措就是增加實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)時，鍛煉學(xué)員的實(shí)踐能力。但是，一方面，受到教學(xué)條件和課程設(shè)置的限制，無法保證學(xué)員能夠隨時進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室;另一方面，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不夠靈活，固化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目限制了學(xué)員的創(chuàng)造性。因此，很多學(xué)校引入了虛擬仿真技術(shù)，如電力電子實(shí)驗(yàn)仿真平臺[2]。還有學(xué)校將虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)平臺相結(jié)合，建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，如林業(yè)技術(shù)裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心[3]、電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺[4]。本文對如何充分利用信息化教學(xué)手段，結(jié)合虛擬電子仿真技術(shù)進(jìn)行研究，以期達(dá)到提高學(xué)員實(shí)踐能力的目標(biāo)。

1 電子技術(shù)信息化教學(xué)概述

電子技術(shù)一般分為模擬部分和數(shù)字部分，其中模擬部分理論性較強(qiáng)，數(shù)字部分實(shí)踐性較強(qiáng)。很顯然，如果學(xué)員想牢固掌握知識內(nèi)容，僅靠課上教學(xué)是不夠的，學(xué)員還需要課下預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和動手實(shí)操。為了更好地指導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行課下的學(xué)習(xí)，筆者建設(shè)了電子技術(shù)網(wǎng)絡(luò)課程，方便學(xué)員自學(xué)和復(fù)習(xí)。筆者針對教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，錄制微課，上傳至網(wǎng)絡(luò)平臺，并與學(xué)員在線交流。架設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理服務(wù)器，方便學(xué)員提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告和結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)中提交的實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要學(xué)員在課下完成，引入虛擬仿真技術(shù)，學(xué)員即可靈活地利用課余時間完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)練習(xí)任務(wù)。

2 Multisim仿真軟件

Multisim是一款非常優(yōu)秀的仿真軟件，利用該軟件能夠進(jìn)行板級的模擬和數(shù)字電路仿真。該軟件比SPICE簡單，容易上手，并且該軟件功能強(qiáng)大，提供了主流電子器件商生產(chǎn)的超過17000種電子元件。最重要的是，在學(xué)員預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)階段，引入Multisim仿真軟件不僅能節(jié)省大量的電氣元器件、實(shí)驗(yàn)器材，還為實(shí)驗(yàn)提供了安全保障[5]。

3 虛擬仿真技術(shù)在電子技術(shù)信息化實(shí)踐教學(xué)中的具體應(yīng)用

在教學(xué)中引入虛擬仿真軟件，一方面能夠讓學(xué)員拓寬知識面，鍛煉其自主學(xué)習(xí)能力;另一方面滿足了學(xué)員課程學(xué)習(xí)的需求。通過網(wǎng)絡(luò)平臺布置預(yù)習(xí)和練習(xí)任務(wù)，學(xué)員在實(shí)驗(yàn)管理服務(wù)器上提交結(jié)果，達(dá)到提高實(shí)踐動手能力的目的。如圖1所示，為虛擬仿真技術(shù)在信息化實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用場景。下面，筆者以Multisim為例，通過兩個實(shí)驗(yàn)說明虛擬仿真技術(shù)在信息化實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮的作用。例如，在進(jìn)行模擬部分的集成運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)時，封閉的實(shí)驗(yàn)箱僅能鍛煉連線等操作，參數(shù)調(diào)整不方便直觀。學(xué)員在實(shí)驗(yàn)過程中不理解原理，一節(jié)實(shí)驗(yàn)課變成了實(shí)驗(yàn)儀器練習(xí)使用課。筆者首先將放大器實(shí)驗(yàn)發(fā)布給學(xué)員，讓其利用Multisim設(shè)計(jì)仿真電路進(jìn)行預(yù)習(xí)，這只需花費(fèi)很少的時間。通過更換信號源V1，可實(shí)現(xiàn)多種直流信號、交流信號的反向放大。改變反向比例參數(shù)的值，學(xué)員可以直觀地驗(yàn)證反向比例系數(shù)。在輸出端，學(xué)員可以通過示波器、萬用表等多種虛擬分析儀器，對結(jié)果進(jìn)行分析和顯示。又如，數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)安排在模擬電路實(shí)驗(yàn)之后，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法是使用不同實(shí)驗(yàn)箱分別完成模擬和數(shù)字實(shí)驗(yàn)，學(xué)員還沒有完全熟悉一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備就要更換另一種。利用虛擬仿真軟件則可以非常容易地實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路結(jié)構(gòu)的仿真，有很好的連貫性。再如，為使用Multisim實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路，該級聯(lián)計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)需要較多的連線操作，學(xué)員不熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備和原理很容易造成課上時間的浪費(fèi)。如果通過設(shè)計(jì)虛擬仿真電路，學(xué)員就可以充分理解電路原理，學(xué)員再進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)時，就可以加快連線速度，取得較好的實(shí)驗(yàn)效果，大幅提高學(xué)員的實(shí)驗(yàn)效率和質(zhì)量。

4 結(jié)語

信息化教學(xué)在高校中越來越普及，在慕課、微課、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)等新的教學(xué)手段極大沖擊著傳統(tǒng)教學(xué)手段的同時，也為教師提供了更多課堂改革的機(jī)遇和手段。為提高學(xué)員的實(shí)踐能力，幫助學(xué)員理解課堂內(nèi)容，借助信息化教學(xué)手段，將虛擬仿真技術(shù)引入學(xué)員的預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和自學(xué)過程中，有極高的實(shí)際意義。從課堂教學(xué)效果來看，學(xué)員對電子技術(shù)課程產(chǎn)生了興趣。在引入虛擬仿真以前，學(xué)員對于一些電路的效果沒有直觀的概念，僅憑教師的描述和圖片不足以吸引學(xué)員。引入虛擬仿真以后，教師在課堂上只需講透原理，把仿真任務(wù)以作業(yè)的形式留給學(xué)員，通過信息化平臺提交，充分利用了學(xué)員的課余時間。在進(jìn)行仿真作業(yè)的過程中，學(xué)員既獲得了成就感，又將課上的原理轉(zhuǎn)換為實(shí)際任務(wù)，極大調(diào)動了他們的積極性。從實(shí)踐教學(xué)效果來看，學(xué)員對實(shí)際電路的理解有了較大提高。筆者要求學(xué)員課前在仿真軟件上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)。學(xué)員通過仿真提前了解了實(shí)驗(yàn)效果，做實(shí)驗(yàn)時事半功倍。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室反饋的結(jié)果，芯片和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞情況都有所好轉(zhuǎn)。通過信息化教學(xué)手段，在電子技術(shù)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，調(diào)動了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)員的實(shí)踐能力，教學(xué)也逐漸向“授之以漁”的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]郭慧，楊少川，張松煒，等.面向“新工科”建設(shè)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].西部素質(zhì)教育，2019，5（18）：164-165.

[2]楊婷，楊廠.基于Matlab的電力電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（7）：152-154，158.

[3]劉英，馬晨波，趙茂程.現(xiàn)代林業(yè)技術(shù)裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（7）：210-213.

[4]馬學(xué)條，程知群，鄭雪峰，等.電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（11）：130-133.

[5]王開宇，盧誠，姜艷紅，等.基于Multisim和LabVIEW的虛實(shí)結(jié)合數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019，38（2）：140-143，159.