基于虛擬仿真技術的“理虛實”一體化教學研究

翟麗，陸運華

(洋浦經(jīng)濟開發(fā)區(qū)高級技工學校，海南洋浦，578101)

1 中職電類專業(yè)理實一體化教學的現(xiàn)狀分析

1.1 生源現(xiàn)狀

在當前升學熱的刺激下，一方面廣大公、民辦普通高中迅速擴招，另一方面中職學校畢業(yè)生的就業(yè)質量受培養(yǎng)質量的限制還不是很理想。以上兩方面的原因致使當前很多中職學校生源嚴重不足，很多學校連教育主管部門下達的招生計劃都無法完成，就更別奢談生源質量了。

在生源質量和數(shù)量均無法保證的辦學背景下，中職電工電子類專業(yè)的課程對學生來講又普遍具有較高的數(shù)理分析要求，這樣的一對突出矛盾更加加劇了中職電工電子類學生的厭學情緒。教學過程中普遍存在原理講不通、學不懂，實踐操作無條理，依樣畫葫蘆和盲目操作的現(xiàn)狀。教學效果遠達不到要求。更有甚者還出現(xiàn)了學生厭學、教師厭教的惡性循環(huán)，課堂生態(tài)實在令人堪憂。

1.2 教學環(huán)境現(xiàn)狀

諸多中職學校雖也引入了理實一體化教學模式，以期改善課堂教學生態(tài)、提高教育教學效果，但在真正實施過程中很多學校受到設備不足、設備老舊、耗材成本高等諸多因素制約，具體體現(xiàn)如下。

設備臺套數(shù)不足：電工電子類專業(yè)教學設備種類繁多，價格比較昂貴，在一些落后地區(qū)，很難配備種類齊全、數(shù)量充足的各式各類教學儀器設備，這使教學開展十分困難，甚至有的實驗實訓根本無法開出，部分學生直到畢業(yè)都不會操作使用一些高端精密儀器設備。

設備老舊：很多學校以為設備一投入就一勞永逸了，學校教學設備老舊跟不上技術發(fā)展是個普遍問題，也是一個長期存在的問題。由于成本原因，教學設備不可能做到頻繁更新?lián)Q代，更有甚者是現(xiàn)有設備很多年久失修，處于癱瘓半癱瘓狀態(tài)，處于有效使用。這就導致了很多實訓內(nèi)容無法實現(xiàn)，學生培養(yǎng)質量難以滿足社會實際需要。

耗材成本高：在諸如電子產(chǎn)品設計裝調(diào)等實訓實驗課中，由于學生首次接觸、不熟練等原因，往往會導致大量元件器材被浪費。

基于中職學校電類專業(yè)的上述實訓教學現(xiàn)狀，通過我們在實踐中的摸打滾爬，覺得非常有必要引入一種虛擬仿真技術來彌補常規(guī)教學中的不足，以期達到理→虛→實結合、互為融通的良好教學課堂生態(tài)。

2 虛擬仿真技術的發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)勢

近年來，隨著信息技術與學科教育的高度融合，各類電學仿真軟件也呈百花齊放百家爭鳴之態(tài)勢，著名的就有美國NI公司的Circuit Design Suite14套件（內(nèi)含基于Spice內(nèi)核的multisim14板級板級仿真軟件和ultiboard制版軟件），英國New Wave Concepts公司的電子電路仿真設計四 件 套（Bright Spark、LiveWire、PCBWizard、Control Studio），匈牙利DesignsoftInc.公司的Edison立體聲光實驗室，英國Lab Center Electronics公司的Proteus，國產(chǎn)的CAD_eSIMU、宇龍機電控制仿真軟件，還有三菱、西門子等PLC的仿真軟件，其擅長領域各有千秋。如Multisim、BrightSpark、Edison等軟件就擅長電子電路仿真，Proteus軟件擅長電子電路和單片機程序仿真，CAD-eSIM、宇龍機電控制仿真軟件就擅長繼電接觸器控制電路仿真，PLC仿真軟件則擅長挺行圖程序邏輯仿真。

這些軟件雖然各自擅長的領域不同，但他們都有以下共同的特點：①界面呈現(xiàn)生動直觀、視覺沖擊感強烈，符合學生的認知規(guī)律和水平；②內(nèi)核建模精確、仿真結果非常逼近實際結果；③仿真操作具有很強的交互性、用戶沉浸體驗感很好；④共享性能好、非常符合時下流行的線上線下混合式教學理念，有利于突破實驗實訓教學的時空限制；⑤軟件操作界面友好，容易上手。

基于虛擬仿真軟件的以上諸多優(yōu)點，使得其在教育教學和生產(chǎn)領域得以迅速的普及，現(xiàn)在很多的職業(yè)院校都將其作為電類專業(yè)課程教學和實驗的一種不可或缺輔助手段，也不失為工程技術人員研發(fā)生產(chǎn)的有力助手。

針對目前電類專業(yè)教學現(xiàn)狀存在種種不足，虛擬仿真技術展現(xiàn)出來的優(yōu)勢又恰好能很好地彌補這些不足，二者自然一拍即合。那么如何將二者很好地結合起來呢？我們認為可以整合理（論）、虛（擬）、實（踐）資源，構建“理虛實一體化”新型教學模式。

3 基于虛擬仿真軟件的理虛實一體化課堂教學案例解析

接下來我們就分別以New Wave Concepts公司的電子電路仿真設計四件套中的Bright Spark和PCB Wizard兩個軟件來介紹在中職學校電子技術基礎課程“理實一體化”教學中的典型應用為例，來闡述虛擬仿真軟件在中職“理虛實一體化”課堂教學中的獨特優(yōu)勢。

Bright Spark是一個非常有趣的電路模擬軟件，廣大電子愛好者、初學者可以借助其探索神秘的電子世界。初學者只需結合電腦屏幕上的動畫和真實的模擬結果來幫助我們理解和遨游深奧的電子世界。

它不需要你具有深厚的專業(yè)基礎知識，軟件包自身內(nèi)置的課件可以幫助初學者學習電子學背后的關鍵原理。同時，你還可以繼續(xù)使用該軟件中包含的大量元器件和儀表來搭建你自己的專屬電路，并調(diào)節(jié)測試它，觀測電路運行結果，驗證電路原理。

PCB Wizard 3是制作PCB電路板高度創(chuàng)新的軟件包。通過強大的設計工具和友好的用戶界面提供無與倫比的生產(chǎn)力，因此PCB Wizard 3是您電子產(chǎn)品線路設計項目工作的理想選擇。此外，它還與Bright Spark、Control Studio 2和Livewire能實現(xiàn)無縫集成，PCB Wizard 3在世界各地已擁有超過20,000名注冊用戶，足以說明其影響力之大。

所謂一圖勝千言，下面我們就按圖索驥地進行電路的仿真和設計工作，如圖1所示。

起動Bright Spark軟件，其界面非常的友好清新，我們在初始界面中通過第①或第②方式即可輕松打開電路設計工作窗口（如圖1“中圖”所示），設計者只需從軟件自帶的元件、儀器庫中按需調(diào)取搭建電路所需的元件和儀表，合理布局在電路設計工作窗口中，然后按著電路工作原理正確連接電路（只需用鼠標移至元件或儀器的端子點擊即可繪制導線，按住不放拖拽至下一元件端子即可完成兩元件之間的導線連線）。連接完所有電路之后，點擊工具欄上的運行按鈕即可開始電路模擬仿真工作過程。

圖1 Bright Spark界面及其仿真進程

圖1的“中圖”是橋式整流電路的正半周仿真實際狀態(tài)，當變壓器二次側的電壓瞬時極性為上“＋”下“-”時（由于變壓器初、次級的同名端為上、下端對應，此時輸入交流電源為負半周），整流橋中兩對臂上的二極管V1、V4導通，負載上的電流自負載的上端流向下端，發(fā)光二極管LED2導通工作、LED2截至不工作，而二極管V2、V3由于承受反偏電壓而截至，從示波器的觀測窗口也能測量到與之一致的效果（紅色波形為CH1通道所測變壓器二次側正負交替變化的交流電波形，藍色波形為負載兩端極性單一的脈動直流電波形）。

圖1的“下圖”是橋式整流電路的負半周仿真實際狀態(tài)，當變壓器二次側的電壓瞬時極性為上“-”下“＋”時（由于變壓器初、次級的同名端為上、下端對應，此時輸入交流電源為正半周），整流橋中兩對臂上的二極管V2、V3導通，負載上的電流仍是自負載的上端流向下端，發(fā)光二極管LED2導通工作、LED2截至不工作，而二極管V1、V4由于承受反偏電壓而截至。二極管V1、V4和V2、V3如此輪流交替導通，將輸入正負極性交替變化的正弦交流電整流為極性單一（始終在X軸的正半周）的脈動直流電，從而完成對交流電的整流。

同時，我們通過調(diào)節(jié)負載回路中的電位器PT的阻值，可以非常直觀地看到負載LED2在串聯(lián)不同阻值的電阻的時候，其明亮程度不一樣，當然我們也可以借助Bright Spark中的直流電流來更為精確的測量PT阻值變化時負載中的電流數(shù)值。

以上工作過程也可以直觀地從仿真畫面上二極管V1～V4的開、斷情況和示波器所測輸入/輸出波形圖觀察到，非常符合中職學生（或初學者）的認知規(guī)律和認知水平。

接下來我們在如圖1“上圖”所示的Bright Spark窗口中依次的單擊“File”→“Convert to PCB…”下拉菜單，即可一鍵打開與之配套的PCB Wizard軟件進行PCB線路板的布線工作，具體如圖2所示。PCBWizard在完成飛線布局之后會彈出“自動布線完成，100%的網(wǎng)絡連接被成功地布線了”的提示對話框，點擊“OK”按鈕即可生成圖2“下左圖”所示的敷銅電路板圖，圖2“下右圖”為三維實物安裝圖。

從圖2可以看出，在Bright Spark中一鍵啟動PCB Wizard并生成合格PCB印制電路板圖可謂是一氣呵成。我們只需將最終的印制板圖送至印制電路板生產(chǎn)廠家或者自己在實驗室用熱轉印法轉印到覆銅板上，再用蝕刻劑腐蝕的方法即可制作出一款成功的印制電路板，最后按仿真電路原理圖將元器件裝配焊接到印制電路板上，一款合格的橋式整流電路即可大功告成。高效高質地完成從電路的仿真設計→一鍵生成PCB→焊接裝配成型產(chǎn)品→調(diào)試運行，實現(xiàn)從原理驗證到產(chǎn)品制作一整套完整的設計生產(chǎn)流程，真正實現(xiàn)了“理→虛→實一體化”實驗（實訓）過程。

圖2 一鍵啟動PCB Wizard 自動布線流程圖

4 結語

在電子類實驗教學中引入一些易學好用、直觀形象、視覺沖擊感強烈的虛擬仿真軟件，是未來電子類實驗教學發(fā)展的必然趨勢，它不僅符合信息化媒體時代成長起來的這代學生的認知規(guī)律和認知水平，有效降低學科認知難度，激發(fā)學生的學習興趣，提高學生實驗（實訓）的參與度與沉浸感、獲得感，極大改善課堂生態(tài)和效率。而且可有效彌補傳統(tǒng)實驗（實訓）中看不到、進不去、成本高、危險性大等不利因素的影響。

將虛擬仿真軟件和課堂教學有效融合不僅能減少實驗耗材的損耗并延長實驗設備的更換周期，大大降低經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)職業(yè)院校的辦學成本。而且還能有效提高學生的動手實踐能力、工程設計能力與創(chuàng)新思維能力，為社會主義新時代培養(yǎng)更多合格的創(chuàng)新型應用技術人才提供智力支持。

虛擬仿真軟件與技術教學的結合使得實驗（實訓）課不僅僅局限于傳統(tǒng)實驗課中的定理驗證與教材實驗項目之內(nèi)的實驗，而是把實驗與工程實踐應用能力高度結合起來，把理論教學、虛擬實驗與工程實踐三位一體、有機融合，使得我們的實驗課不再是局限于學校實驗室和課堂，而是將實驗教學的時間延伸至課外、空間延伸至校外，從而實現(xiàn)“理虛實一體化”實訓課課上、課下，線上、線下的高度混合式學習，學生只要有靈感就可隨時隨地開展自己的創(chuàng)意設計實踐，不再受時間和空間的限制。