仿真软件在电工基础课教学中的应用.doc

仿真软件在电工技能与实训课程教学中的应用教电工基础是中等职业学校电工电子类专业的一门专业基础课程,具有很强的实践性。在教学中如果能积极创造条件使用仿真软件进行教学辅助,将会有效调动学生学习兴趣与积极性,提高教学质量,改善教学手段,丰富教学内容,提高课堂教学效果,而且对于培养学生的自主能力、创新能力、分析和解决问题的能力都起到了潜移默化的作用。电工基础是中等职业学校电工电子类专业的一门专业基础课程,具有很强的实践性。学习本门课程需要学生不但具备扎实的数学、物理方面的有相关理论知识,而且要求学生具备较强的抽象思维和严谨的推导能力。而从目前中职招生情况来看,所招收的学生大多数是来自初级中学的分流学生,他们不但学习基础、学习行为和习惯差,而且有相当一部分学生其数学和物理知识更是匮乏,这种现象我校更为普遍。学生的这一现状对电工基础课程传统教学模式提出了新的挑战。面对这一特殊群体,如何有效地开展教学,调动学生学习的兴趣与积极性,如何获得最佳的教学效果,成为课任教师亟需思考的问题。在教学中如果能积极创造条件使用仿真软件进行教学辅助,将会很好的解决上述问题。下面就大连海事大学信息工程学院信息教育技术研究所开发的电工技能与实训仿真教学系统及其在教学过程中的应用作如下探讨:一、电工技能与实训仿真教学系统框架大连海事大学信息工程学院信息教育技术研究所开发的电工技能与实训仿真教学系统按教学内容拟划分七大模块，如图下图所示。二、电工技能与实训仿真教学系统简介电工技能与实训仿真教学系统共分七大部分，即电工基本常识与操作、电工仪表、照明电路安装、电机与变压器、低压电器、电动机控制和电工识图，如图下图所示。 电工技能与实训教学仿真系统组成框图1.电工基本常识与操作本部分包含安全用电常识、常用电工工具、常用导线连接和手工焊接工艺四个专题，主要媒体为视频影像，辅助媒体为图文。本部分视频在我国电类产品生产基地深圳实景拍摄，所使用的设备与工艺流程，皆为生产车间现在正在使用的生产技术。2.电工仪表包括万用表、电能表、钳型电流表、兆欧表、直流电桥和配电板六个重点仪器仪表。其中，万用表部分除了展示磁电式万用表的外形、结构、面板外，还重点以交互性模拟仿真的方式让学生参与测量使用，并以实例详细给出了操作步骤与使用方法，包括测直流电流、交直流电压、电阻等。数字式万用表在本部分中也作了介绍。本部分的主要特色在于对操作情景的模拟，浏览者在计算机旁即可学习到常用仪器仪表的使用方法、注意事项，感受到操作仪器仪表的逼真效果。3.照明电路安装照明电路安装中包括荧光灯和两地控制灯。其中说明荧光灯是由灯管、镇流器和启辉器组成。而两地控制电路是对白炽灯的控制方法，常见的是用一个开关控制一盏灯或多盏灯。而在日常生活和生产中，常遇到需要在两个地方控制一盏灯的情况。4.电机与变压器电工技能与实训的最终目的是要让学生能独立完成一个实用电路，从元器件的选择、电路的布局、连线、焊接，到电路参数的测试，常用故障的判断与排除等。本部分以最常用的三相异步电动机、单相异步电动机、伺服电机、步进电机、直流电机、变压器为具体实例，根据学习的需要，设计了如下几个模块，让学生自主地、身临其境地完成训练内容：（1） 外型：包括电路与器件外形的对照，器件的名称、型号与在电路中的作用等。（2） 结构：通过三维动画的显示，浏览者可以清晰地看到各部分器件的外形结构以及拆分装配的顺序，对电器有直观的、整体的认识。（3） 装配：浏览者可以从零件库中选取零件，按顺序进行装配，加深整体认识。（4） 原理：以动画加语音解说的形式分步仔细解析了电路的工作原理与过程，使浏览者对电路的机理有较深入的了解。（5） 检测：接线正确的电路，浏览者可以通电测试，通过万用表进行测量。三、电工技能与实训仿真教学系统特点本系统力争体现如下特点：1职业性。所有的模块设计以岗位需求和职业能力为本，突出实践技能，体现职教特色。2过程性。强调训练步骤，强化形成性练习与养成性习惯，培养职业技能。3交互性。所有的模块均突出浏览者的亲身参与，使其在实践中提高职业技术能力。4情景性。采用数学建模与三维动画技术，模拟真实场景，使浏览者犹如身临其境，提高真实性与学习效果。总之，本系统采用基于虚拟现实技术的计算机仿真模拟技术，突出训练浏览者的职业技能，突出浏览者的自我参与，系统地、逼真地再现了电工技能训练项目，既适用于从事电子、仪器仪表、电气与自动化等专业实训课教师授课使用，也适用于维修电工、家用电子维修工、家用电器维修工、电子设备装接工、空调制冷工、汽车电器维修工、计算机维修工等所有与电工设备有关的专业的学生作技能训练使用。本系统是目前广为使用的教学软件,它为课任教师和学生创造了一个独特的全新学习环境。因为本系统 的环境是以 3D 实体的零件造型,让初学者有置身于真实电路实验室的感觉,加上有趣的声、光效果,如在电路中有发光的灯泡,可以看到灯泡光线强弱的变化,又如电动机,可以看到其转动的快慢及方向,加上声音的配合,使初学者仿佛在游戏中学习,让初学者在不知不觉中学习电学知识,快速引导初学者进入电子学领域,从而引起初学者的兴趣,是师生的良师益友。同时,本系统可以做几十个电学方面的实验,既可以弥补实验仪器、元件少的不足又可避免仪器、元器件的损坏。在教学中如能充分合理地使用必将使教师的教学及学生的学习效率大大提高。四、将电工技能与实训仿真教学系统引入课堂教学,进行演示实验,提高课堂教学效果。长期以来,电工基础课堂教学,是以黑板加粉笔的传统教学方法,教师授课时先要花大量时间绘制电路图,然后对电路原理和运行结果进行讲解和描述,由于学生缺乏相关的基础知识,使学生难以理解教师“所云”,因此就出现了学生下课很精神,上课很困乏,个别还梦起了周公。究其原因,不是教师讲的不透彻,也不是学生不想学,而是因为学生先天不足(知识断层),同时课堂缺乏新意,缺乏互动,教学内容提不起学生的兴趣,最终影响教学效果。现在如果我们将电工技能与实训仿真教学系统的虚拟实验功能引进课堂,在讲解理论的同时,利用多媒体同步演示,显示实验电路的搭建过程及实验结果,使一些抽象的概念形象化、直观化、简单化,这样既使沉闷的课堂变得生动起来,又可使学生兴趣盎然。当使用一段时间学生也基本掌握了本软件电路搭建方法后,还可以让学生亲自动手搭建本节课的实验电路,这样教师教的轻松,学生学的投入,必将会取得较好的教学效果。比如在讲授基尔霍夫电压定律时学生对其内容难以理解,可当堂搭建电路,通过仪表所测量到的值即可很清楚地看到电路中电动势与各段电压之间的关系,通过演示既让学生看到了电路搭建的过程,又能让学生加深理解,同时又巩固了电压表的使用知识,可谓一举多得。三、利用电工技能与实训仿真教学系统进行仿真实验,改革实验教学方法,提高实验教学质量。本软件具有强大的仿真功能,你可以在计算机上研究和实验找出真实的电路是如何运做的。在左边的实验架上你可以轻松的找到形如实际的电池,电阻,二极管,发光二极管(LED),三极管,逻辑门,触发器等栩栩如生的 3d 组件,通过鼠标将其拖到实验电路板上连接起来形成真实的电路,在右边窗口中即可看到该电路的原理图。随着外加电压的增加灯泡会点燃得更亮,马达会转得更快。你可以看到灯泡的光,甚至听到马达的转动声音。改变元件的数值来变更电路方案- 电阻的彩色条形码也会自动地改变!|如果外加的电压太高灯泡就会烧毁!然而,一切都可以补救,使用修复功能可复原损坏了的元件并使电路工作。电工基础课是一门实践性很强的课程,(来源：淘豆网/p-19619684.html)理论学习必须紧密地与实验结合起来。在理论课学习过程中,抽几节课讲解 Edison 画图及仿真的用法。在实验课中,结合实验进行仿真,先按实验电路图及实验要求在实验电路板对电路进行连接,然后根据实验步骤更改各元器件的参数,再对仪表测得的数据分次进行记载,最后根据实验数据总结验证实验结果。这样学生做实验的兴趣提高,信心加强,实验教学质量大大提高。特别是在较为复杂的实验中,学生粗心的连接或操作可能会使电路短路或元器件损坏,通过软件的提示及修复功能或使学生加深对实验内容和要求的理解,大大提高了学生分析问题、解决问题的能力,同时又不会造成硬件损坏或人身伤害。四、Edison 软件使用中应注意的问题采用 Edison 辅助教学,需要借助多媒体教室,它改善了教学手段,丰富了教学内容,减少了老师由于画电路图、波形图而浪费很多课堂有效教学时间,也能更形象生动地将难于理解的知识用仿真的形式表现出来,也更能激发出学生学习电学知识的兴趣。但任何科学技术都是一把双刃剑,有利亦有弊,如果完全用虚拟实验取代实物实验,就只会(来源：淘豆网/p-19619684.html)在电脑上仿真,学生对真实元器件的封装、检测等认知程度大大降低,对使用仪器的操作能力大大削弱,缺少对实际电子产品设计的布局能力、布线能力、安装调试能力。为了避免其弊端,我们应采用虚实结合,一方面要强调仿真实验对教学的辅助作用,同时也要认识到实际动手能力的重要性,两者必须相辅相成,有机结合。既要合理安排仿真实验课时,主要以学生自己上机实验为主,课堂上进行基本电路的仿真;又要精心选择仿真实验课题,为学生提供科学、合理的仿真实验题目,让学生通过实验,掌握知识,提高兴趣;还要让学生做一些设计- 4 -性的实验,自己设计,自己制作安装调试,使他们的虚拟仿真实验变成看得见摸得着的产品。总之,将 Edison 仿真软件应用于教学中,能把复杂事物简单化、变抽象为具体、微观的事物放大、宏观事物缩小;同时可以把许多抽象和难以理解的内容变得生动有趣,动态地演示一些现象,化难为易;还能模拟一些用语言难以清楚表述的,以及现实实验不易进行的内容。它不仅提高了教学质量,改善了教学手段,丰富了教学内容,提高了课堂教学效果,而且对于培养学生的自主能力、创新能力、分析和解决问题的能力都起到了潜移默化的作用。当然,仿真教学和实际工程能力,两者必须相辅相成,相互结合,不能以仿真来完全代替实际操作训练。图3-4 配电板界面该界面左边由外型、布局、连线和仿真四个部分组成。中央界面是对配电板的一个总体概述。点击“外型”按钮可出现如图3-5的界面。图3-5配电板的“外型”界面“外型”主要是通过三维动态图像或二维图片，形象生动地介绍每种器件的外观。点击“布局”按钮可进入如图3-6的界面。图3-6配电板的“布局”界面点击右侧的元器件，拖动到电路中的相应位置，器件将自动放在上面。如果放错，会出现提示错误信息。点击“连线”按钮，可进入如图3-7的界面。图3-7配电板的“连线”界面按照原理图中闪动的位置，在实物图中进行接线，点击右侧的“答案”按钮可以观看布线的答案。点击“仿真”按钮，可进入如图3-8 的界面。图3-8配电板的“仿真”界面按照操作步骤上的提示合上电源开关，然后拔动转换开关，便可以观察电压表和电流表的现象。3. 照明电路安装照明电路安装子系统组成框图如图3-9 所示。图3-9 照明电路安装子系统组成框图点击“照明电路安装”按钮，可进入如图3-10界面。图3-10 照明电路安装界面此部分由荧光灯、两地控制灯两部分组成。点击“荧光灯”按钮可进入如图3-11的界面。图3-11荧光灯的主界面该界面左边由器材、电路、原理、接线和排故五个部分组成。中央界面是对荧光灯的一个总体概述。点击“器材”按钮可进入如图3-12的界面。图3-12荧光灯的“器材”界面进入到“荧光灯”“器材”栏目，点击右侧图片可选择要观察的器件，可用鼠标拖动中央摆放的器材，即可多视角观察器材外形。点击下方按钮可学习相关知识。点击“电路”按钮可进入如图3-13的界面。图3-13荧光灯的“电路”的界面点击下方卡片盒的按钮可对荧光灯的各种器材的型号和组成有所了解。点击右上角的电路图中的元件符号，了解元件的相关信息。点击“原理”按钮可进入如图3-14的界面。图3-14荧光灯的“原理”界面以动画加语音解说形式分步仔细解析了电路的工作原理与过程，使浏览者对电路的机理有较深入的了解。点击“接线”按钮可进入如图3-15的界面。图3-15荧光灯的“接线”界面在接线中，根据上方电路图和下方的卡片盒提示在各个部件上进行连线，如果连线有问题，可以点击卡片盒上的“答案”按钮查看正确连线。点击“排故”按钮可进入如图3-16所示。图3-16荧光灯的“排故”界面按照原理图检查接线，点击下方的卡片盒中的故障1、故障2选择错误出在哪里。4. 电机与变压器图3-17 电机与变压器子系统组成框图点击“电机与变压器”按钮可进入如图3-18所示界面。图3-18 电机与变压器界面点击“三相异步电动机”按钮可进入如图3-19的界面。图3-19三相异步电动机的界面点击“外型”按钮可进入如图3-20的界面。图3-20三相异步机的“外型”界面点击右侧图片按钮选择要观察的器件，用鼠标拖动中央摆放的器材，可多视角观察器材外形。点击下方文字按钮可学习相关知识。点击“结构”按钮可进入如图3-21的界面。图3-21三相异步机的“结构”界面点击“结构”按钮，该部分主要通过视频来对三相异步机进行展示。点击右侧的器件图标按钮可以使视频跳转到指定的器件部分重新观察器件。点击“装配”按钮可进入如图3-22的界面。图3-22三相异步电动机的“装配”界面当鼠标滑上各器件会显示各器件的名称。用鼠标拖动各部件放到装配中的相应位置上，松开鼠标即可实现装配。也可以根据步骤提示，拖放下方的器件。如果放错，会出现提示信息。点击“维修”按钮可进入如图3-23的界面。图3-23三相异步电动机的“维修”界面点击下面卡片盒中的故障一、故障二，可进行排故操作，并查看相关操作步骤。图示为ZC25-3型兆欧表，按下键盘的向上箭头可进行摇动手柄的操作。5. 低压电器 表3-1 低压电器结构设计表内 容模块主流媒体辅助媒体备 注低压电器接触器外形多视角动画图文表格等需首先确定型号，然后方可编写、设计脚本制作。需在各类电器中分别制作1、2个可多视角观察的器件，以突出模拟实物的逼真效果，同类的其他品种只可制作静态的三维视图。继电器中各种类型（热、时间、速度、过压等）只做一个旋转的，其他只做三维。结构三维动画（分解）动作动画、语音拆装仿真继电器同上同上常用闸刀开关外形三维动画结构仿真低压断路器同上同上熔断器起动器主令电器点击“低压电器”按钮可进入如图3-24所示界面。 图3-24低压电器界面点击“交流接触器”按钮可进入如图3-25所示界面。图3-25交流接触器界面中央界面是对交流接触器的一个总体概述，左面从外型、结构、原理、组装和检测五部分对交流接触器进行介绍。点击“外型”按钮可进入如图3-26所示界面。图3-26交流接触器的“外型”界面在中央窗口拖动鼠标可多视角观察器件，点击右侧图片可选择您想仔细观察的器件。点击下方卡片盒可以查看各器件的相关信息。点击“结构”按钮可进入如图3-27所示界面。图3-27交流接触器的“结构”界面将鼠标放在图板的相应位置上，可了解交流接触器的构成。下方的卡片盒是各种器件的相关信息。点击“原理”按钮可进入如图3-28所示界面。图3-28交流接触器的“原理”界面在交流接触器的“原理”界面中，通过演示动画来讲解交流接触器的工作原理。点击“组装”按钮可进入如图3-29所示界面。图3-29交流接触器的“组装”界面当鼠标滑上各器件会显示各器件的名称。用鼠标拖动各部件放到装配中的相应位置上，松开鼠标即可实现装配。也可以根据步骤提示去拖放下方的器件。如果放错，会出现提示错误信息。点击“检测”按钮可进入如图3-30所示界面。图3-30交流接触器的“检测”界面对接触器进行检测时，使用前应对接触器进行必要的检测，如电磁线圈是否完好。根据下方的卡片盒对器件进行检测。6. 电动机控制表3-2 电动机控制模块与媒体设计表内容模块主流媒体辅助媒体备 注电动机控制电路1有过载保护的电动机单向运转电气控制电路器材三维动画图、文电路三维动画图、文原理、实物对照原理动画图、文布局计算机仿真图、文根据原理图布局接线计算机仿真图、文根据原理图连线运行计算机仿真图、文排故计算机仿真图、文不宜采用三项模式2双重联锁电动机可逆控制电路1 总共18个电路，结构与媒体设计相似2 电路模块中含电工识图模块结构与媒体设计同上3 对计算机操作要求较高或步骤难度较大的环节上要加帮助3生产机械行程控制电路4自耦补偿器控制的电动机降压起动控制电路5接触器自动控制的电动机Y降压起动电路6时间继电器自动控制电动机Y降压起动电路7三相电动机机械制动控制电路8电动机反接制动控制电路9能耗制控制电路10接触器控制的双速电动机调速电路11电动葫芦控制电路12绕线式电动机起动控制电路13C620车床电气控制电路14M7120平面磨床电气控制电路15Z535钻床电气控制电路16直流电动机调速控制电路17直流电动机制动控制电路18直流电动机的正反转控制电路点击“电动机控制”按钮可进入如图3-31所示界面。图3-31电动机控制界面点击“有过载保护运转控制”按钮可进入如图3-32所示界面：图3-32有过载保护运转控制界面点击“器材”按钮可进入如图3-33所示界面。图3-33有过载保护运转控制器材的“器材”界面 有过载保护运转控制电路中所应用到的器材，将鼠标放到器件触点上，可清楚地观察各触点的名称及电路符号。点击“电路”按钮可进入如图3-34所示界面。 图3-34有过载保护运转控制电路的“电路”界面在有过载保护运转控制电路界面中，将鼠标放到原理图中器件符号上查看器件名称和作用。点击“原理”按钮可进入如图3-35所示界面。图3-35有过载保护运转控制的“原理”界面在有过载保护运转控制原理界面中，通过演示动画来讲解“有过载保护的单向运转控制电路”的工作原理。点击“布局”按钮可进入如图3-36所示界面。图3-36有过载保护运转控制的“布局”界面点击“连线”按钮可进入如图3-