互聯(lián)網(wǎng)背景下虛擬仿真在模擬電子技術(shù)課程中的探索與使用

【摘要】? ? 本文主要是針對(duì)模電教學(xué)中存在的問題，探索了虛擬仿真軟件在模電課程教學(xué)中的使用。借助互聯(lián)網(wǎng)，通過虛擬仿真技術(shù)的使用，學(xué)生的工程實(shí)踐能力得到了提高，課程教學(xué)質(zhì)量和效果得到明顯的改善。

【關(guān)鍵詞】? ? 互聯(lián)網(wǎng)? ? Multisim? ? 理實(shí)一體? ? 虛實(shí)結(jié)合

引言：

模擬電子技術(shù)（下文簡(jiǎn)稱模電）是本校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，理實(shí)結(jié)合非常緊密。主要介紹半導(dǎo)體器件及應(yīng)用電路的分析、計(jì)算及設(shè)計(jì)。原有模電教學(xué)雖然說是理實(shí)一體化的課程，但由于課時(shí)以及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的原因，很難真正在課堂中實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化的教學(xué)。并且由于知識(shí)點(diǎn)多、分析計(jì)算工程性強(qiáng)，導(dǎo)致課程學(xué)習(xí)難度系數(shù)較高，一直是學(xué)生較為畏懼的一門課。教學(xué)效果不理想，教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度也較低。基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念[1-2]（以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向，進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)），借助互聯(lián)網(wǎng)的便利，本課程在教學(xué)中，引入虛擬仿真軟件，采用理實(shí)一體、虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式，可以使理論和實(shí)踐更好的結(jié)合在一起，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力，改善教學(xué)效果[3]。

一、模電教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 課時(shí)分配重理論

目前本專業(yè)模電課時(shí)64課時(shí)（含實(shí)驗(yàn)），理論加習(xí)題、復(fù)習(xí)課52課時(shí)占比81.25%，實(shí)驗(yàn)12課時(shí)占比18.75%。本課程的教學(xué)目標(biāo)[4]要求學(xué)生在掌握模擬電路理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，能分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)。在這么少的課時(shí)內(nèi)完成這些目標(biāo)的難度是很大的。學(xué)生經(jīng)常抱怨計(jì)算量大，也難以驗(yàn)證結(jié)果是否正確。

1.2 理實(shí)一體難實(shí)現(xiàn)

如果想要驗(yàn)證正確性，在課內(nèi)分析計(jì)算完成后立即進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果是最好的，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)即使提前準(zhǔn)備好測(cè)試電路，在短短兩節(jié)課的時(shí)間內(nèi)也是難以保證學(xué)生全體完成任務(wù)的，并且按照這種教學(xué)模式很難保證模電課程教學(xué)任務(wù)的完成。

1.3 虛擬仿真解難題

目前電路基礎(chǔ)課程常用的EDA虛擬仿真軟件工具是Multisim，該軟件是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具。它包含了電路原理圖的圖形輸入和豐富而強(qiáng)大的分析測(cè)試功能，可以讓使用者在完成理論分析計(jì)算后通過虛擬仿真測(cè)試指標(biāo)參數(shù)、驗(yàn)證電路的合理性和可行性，節(jié)省時(shí)間和成本。并且該軟件界面直觀、操作簡(jiǎn)單，學(xué)生可以快速的掌握基本的使用方法。

二、虛擬仿真的探索與使用

2.1虛擬仿真是理論的輔助

隨著招生規(guī)模的擴(kuò)大，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室個(gè)數(shù)滿足不了日常的教學(xué)需要，而日常教學(xué)的多媒體教室也不可能配備實(shí)驗(yàn)裝置，虛擬仿真軟件跳出了對(duì)教室的硬件設(shè)施要求，借助互聯(lián)網(wǎng)，基于電腦云桌面端，多媒體教室的電腦就能滿足要求，使用方便，不受場(chǎng)地限制。在教學(xué)過程中，不管是先仿真演示后理論分析還是先理論分析后仿真驗(yàn)證，虛擬仿真作為輔助，實(shí)時(shí)演示，結(jié)果直觀，有利于知識(shí)的鞏固，激發(fā)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的興趣。

例如在圖1所示的RC正弦波振蕩電路中，按起振條件，要求，即Rf>2R3，否則不會(huì)產(chǎn)生振蕩信號(hào)。教師在課內(nèi)推導(dǎo)了一黑板，學(xué)生看的一臉懵，這時(shí)及其需要結(jié)論的驗(yàn)證來趕走課堂過于沉悶的氣氛。如果采用實(shí)物電路演示的方式，電位器調(diào)節(jié)困難且接入電阻測(cè)定麻煩，費(fèi)時(shí)較長。而借助虛擬仿真，直接修改電阻的阻值，就能輕松的完成這一環(huán)節(jié)，快速的演示電路放大倍數(shù)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生帶來的影響。圖2所示為通過示波器觀察到的RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生的信號(hào)波形。

2.2 虛擬仿真是實(shí)驗(yàn)的鋪墊

模電課的實(shí)驗(yàn)包括單管放大電路的研究、差分放大電路的研究和和集成運(yùn)算放大器的研究。屬于探究型的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中需要結(jié)合理論知識(shí)做一部分的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，再改變?cè)骷?shù)，觀察變化并做分析進(jìn)而得到結(jié)論。而大多數(shù)學(xué)生只是完成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試，不知道實(shí)驗(yàn)為什么這么做，不會(huì)電路的調(diào)試，也不會(huì)做數(shù)據(jù)分析。在實(shí)驗(yàn)前先虛擬仿真，使學(xué)生掌握元器件的連接、儀器儀表的使用，電路參數(shù)的調(diào)節(jié)，預(yù)知實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果?；诨ヂ?lián)網(wǎng)，教師在課下也可以利用QQ、微信等與學(xué)生實(shí)時(shí)溝通，指導(dǎo)分析測(cè)試中出現(xiàn)的問題，彌補(bǔ)課時(shí)的不足。仿真后再去實(shí)驗(yàn)室，與實(shí)際電路測(cè)試相結(jié)合，虛擬做鋪墊，實(shí)踐做強(qiáng)化，達(dá)到更理想的教學(xué)效果。

如圖3、4所示的單管放大電路[2]的研究實(shí)驗(yàn)中，需要利用萬用表測(cè)量電路的靜態(tài)參數(shù)并判斷靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適，并使用信號(hào)發(fā)生器和示波器對(duì)電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，觀察輸出波形、計(jì)算電路的放大倍數(shù)等。靜態(tài)測(cè)試完成后需保持電位器不變連接斷開導(dǎo)線繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，接著調(diào)節(jié)電位器斷開部分導(dǎo)線重復(fù)該過程。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多，過程冗長，操作復(fù)雜。學(xué)生仿真時(shí)可以準(zhǔn)備兩張電路圖，一個(gè)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試（圖4），另一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試（圖3）。通過精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)電位器可以確保兩張圖的參數(shù)完全相同，直接觀察靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)輸出波形帶來的影響，操作步驟減少了，數(shù)據(jù)對(duì)比清楚明了。

2.3虛擬仿真是作業(yè)的幫手

模電課程的作業(yè)主要是電路的分析計(jì)算和電路的設(shè)計(jì)。有些作業(yè)需要分析輸出結(jié)果或波形，而學(xué)生不確定結(jié)果是否正確;有些作業(yè)在分析的時(shí)候需要做一些近似，而學(xué)生不知道，導(dǎo)致分析過于復(fù)雜;有些作業(yè)需要根據(jù)要求設(shè)計(jì)電路，而學(xué)生不知道設(shè)計(jì)是否合理或滿足指標(biāo)要求。有了虛擬仿真做幫手，學(xué)生就不再受時(shí)間、場(chǎng)地的限制，及時(shí)驗(yàn)證作業(yè)的正確性，有利于知識(shí)的鞏固、個(gè)體的學(xué)習(xí)?；诨ヂ?lián)網(wǎng)，學(xué)生還可以把仿真電路及結(jié)果上傳至學(xué)習(xí)通平臺(tái)，供其他同學(xué)借鑒討論，形成濃厚的學(xué)習(xí)氛圍。

以集成運(yùn)算放大電路分析為例，已知電路如圖5所示，電壓U=9V，當(dāng)R'=0.8R時(shí)，求圖中輸出電壓的值。

分析的難點(diǎn)在集成運(yùn)算放大器的輸入信號(hào)Va、Vb的值是多少。有的提議應(yīng)該按照基爾霍夫定律以及“虛短”、“虛斷”嚴(yán)格的進(jìn)行分析，但實(shí)際上利用multisim仿真可以快速的確定輸入電壓，進(jìn)而去推導(dǎo)電路的功能和原理。

從圖6測(cè)試結(jié)果可以看到a、b點(diǎn)的電壓可以看做是左側(cè)電路分壓得到，并且改變其中一路的電阻值對(duì)另外一路的電壓不產(chǎn)生影響，彼此相互獨(dú)立。

三、結(jié)束語

基于互聯(lián)網(wǎng)，通過在模電課程教學(xué)中引入multisim虛擬仿真軟件，課堂教學(xué)手段更加多樣化，實(shí)驗(yàn)效率提高了，作業(yè)質(zhì)量改善了。激發(fā)了學(xué)生得學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題能力也得到了提高，教學(xué)質(zhì)量和效果得到明顯的改善。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]吳啟迪.我國工程教育的改革與發(fā)展[J].中國高等教育評(píng)估，2007（4）：3-7

[2] 陳利華等. 基于《華盛頓協(xié)議》的高等工程教育的探索與實(shí)踐[J]. 北京： 中國大學(xué)教學(xué)，2017（ 10） ： 50-54.

[3]張曉紅，曲曉麗，趙顯紅，等.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)教改中創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的探索[J].中國電力教育，2014（ 15） ： 115-116

[4]儲(chǔ)開斌.模擬電路及其應(yīng)用（第3版）[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2017.

基金項(xiàng)目：江蘇省教育廳“青藍(lán)工程”優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目（蘇教師（2019）3號(hào)）

石藍(lán)（1979.09），女，漢族，江蘇無錫，碩士，講師，研究方向：集成電路設(shè)計(jì)。