浅谈电路仿真在电子技术实验课中的应用.doc

浅谈电路仿真在电子技术实验课教学中的应用摘要：将电路仿真软件引入到实验教学环节中，能够直观的展示实验结果，便于学生对实验内容和操作过程的理解。本文介绍了传统电子技术实验课存在的问题、利用电路仿真软件进行电子技术实验课教学的优越性及电路仿真在电子技术实验课中的应用实例三个方面的内容，说明电路仿真软件在实验教学中的作用和巨大潜能。关键词：电路仿真 电子技术实验课 教学改革随着科学技术的发展和教学改革的不断深入进行，电子技术实验课的教学手段也发生了极大的变化。在以前，电子技术实验课的方法是在万用板上焊接或者在面包板、实验箱、组合实验台上插接实际的电子元器件、集成块，并用导线连接，来构成可完成一定功能的实际电路，然后有仪器仪表进么测量验证。而现阶段，电子技术实验课的方法越来越多地采用电路仿真软件进行教学。一、传统电子技术实验课存在的不足如今，在中职教学中尤其是电子技术的实验教学，存在着实验内容多、涉及面广、上课人数多、资金和仪器配套数不齐、实验课教师人数紧缺、实验课课时又十分有限等问题。教学设计方面每次做实验都想获得良好的实验教学效果，为了把实验做好，通常指导老师要求学生预习，在实验时指导教师总会讲解或现场指导，实验完后再由学生进行实验数据处理、提交实验报告等实验环节。往往在预习和复习时学生总是流于形式，不做实验同学们无法来到实验室，只能自己翻阅枯燥乏味的讲义凭空想象仪器。根本不能提起学生对电子专业的兴趣，往往课前预习也收不到好的效果，做实验时学生手忙脚乱地测数据，根本不想深入地理解实验的原理和方法，不会去想：为什么要这样做？还有没有别的方法可行？学生觉得课本上讲的和老师说的就是真理，没有对实验进行深入的实际研究，很大程度上限制了学生的的思维发展空间。经过一段时间往往以前做过的实验容易忘记，但又不能进实验室再重新再做实验。在整个实验过程之中，如果学生不能自觉主动地学习，认真去研究每次实验的实验原理和方法，就只是照抄照搬讲义，自然就会造成学生缺乏实际应用和创新的能力25，26。 教学内容方面在中职院校里，往往由于学校资金不足对实验器材的投资不够，有些实验设备昂贵就准备不够，尤其是对那些较为先进的电子技术实验设备，根本就难以购买，即使是少数学校开出这样的实验项目，但数量也很有限，致使一些相关的实验难以进行。特别是还有一些带有危险性的实验，老师自己就担惊受怕，怕出安全事故，基本上这类实验往往就被无情地砍掉了。这样，在教学的具体操作过程中，使学生无法进行更深入的探究，限制了他们的思维，缩小了他们的视野27。教学方式方面我们传统的电子技术实验教学模式，往往是老师事先安排好的实验题目，然后由实验教师首先讲解和示范，最后再由学生自己按照实验示范和实验讲义来进行操作、观察现象、记录数据。经验得知，这样的教学模式在过去起到过很好的教学效果。但是这种教学方式存在着一些弊端：学生处上实验课做实验时总是被动，学生做实验必须按照讲义上的步骤机械地操作，发挥不了自己的主见和创新能力。甚至教师为避免学生在实验中出现不必要错误操作，学生只有按照讲义写的步骤按部就班地做实验，就能得到预定的实验结果，以往这样容易使学生养成不爱动脑，根本不想实验过程中为什么要以这样的步骤做实验？有没有更好的实验方案和方法？是否可以采用其它的仪器等？这样很大程度上限制了学生的思维发展。由此不难发现过去的实验教学模式已严重地束缚了学生学习中的主动性、创造性的发挥，那么怎样在实验中来培养学生的分析问题和解决问题的能力？就值得我们在教学方式上寻找新思路。 二、电路仿真在电子技术实验教学的应用要求实验前虚拟仿真软件应用到电子技术，在实验前，实验老师把每一个实验都经过认真仔细的准备，让学生事先进行预习，能基本了解的实验内容，在实验中可能遇到的问题都以适当的形式给出。每个学生可以根据自己的具体情况，在实验前自己可以在机房用电路仿真软件进行实验前的预习。生动形象和智能化的虚拟电子电路仿真软件，在预习的的过程中能让学生充分掌握实验的原理，了解仪器的使用，熟悉实验的过程等一些实验前准备工作。通过对比，现在学生利用虚拟电子电路仿真在电子技术实验教学的应用，比传统的实验课的预习只是看枯燥的讲义效果明显好得多。这样，学生在实验前经过生动逼真预习，等到学生在实验室独立完成做实验时，就会到做得得心应手。通过使用电子电路电路仿真软件后，学生就很容易在在做实验前掌握实验的注意事项、实验原理、仪器使用等等，实验老师不再象过去那样花很多精力和时间，给学生做实验前的准备工作和强调注意事项。因此现在通过这种模式学生在预习时己经基本掌握，学生可以很快进入到实验操作中去。如果遇到设计性的实验，实验指导老师首先要求学生在做实验前自己设计好实验方案、实验步骤、所需实验仪器等有关实验内容。学生则可以利用计算机进行仿真实验，如果认为实验方案可行，则可以通过网络传输工具把自己的设计方案传送给老师和同学进行交流，如果一致认为方案可行，就可以进行具体的实验操作。利用电路仿真通过网络进行交流，可以使学生避免盲目操作而造成不必要的损失和时间的浪费，大大地提高实验效率28。 实验中 学生在实验过程中会遇到不同的问题，但是学生可以随时在实验室内配备的计算机上，通过电路仿真实验找到解决问题的方法。因为不同的学生在理解、接受、动手的能力不有所不同，实验时遇到的问题也就各异，但可以通过老师的指导监督，同学之间相互协作共同解决。因为大部分问题学生都可以通过相互交流解决问题，可以减轻教师的不必要工作量，尤其是学生之间相互交流共同解决问题，更有利于培养学生自己解决问题的能力。在实验过程中利用计算机收集、处理数据，可以避免很多由于人为因素造成的误差，且能提高教学效率和质量。由于学生的个人能力不同，有的学生可以很快地完成实验操作，这些的学生则利用多余的时间，通过电路仿真了解做本实验是否还可以采用的其他方法。有兴趣的学生可以尝试采用其他的实验方法来深入研究这个实验。这样不但丰富了学生的专业知识、拓宽了学生的知识面、开阔了学生的视野，而且更能提高学生们的求知欲，培养他们的创新意识。 实验后 通过实验，学生可以利用网络或局域网把实验报告传给老师，在网上老师可以很快地检查学生的实验报告具体情况并将实验报告中存在的问题及时反馈给学生。这样，学生在实验中遇到问题就得到了及时解决，缩短教师和学生之间的交流时间，提高了实验的教学效率，加深学生对实验的理解与巩固。过去每当学生要复习复习做过的实验的时候，都因为做得时间相隔太久而忘记当时做实验时的具体情景，达不到复习的效果，而学校又由于设备和时间的关系不能给学生提供随时进实验室重新温习做过的实验的条件。但是，如果通过电路仿真可以很好地解决这个问题，学生如果需要复习则可以根据自己的时间安排随时到机房通过电路仿真进行复习，而且电路仿真实验可以真真实实再现实验过程和实验现象。可以很好地帮助学生回忆当时做实验的细节，并进一步加深学生对该实验的认识和理解。因此，现在通过利用电路仿真软件在电子专业技术实验中辅助实验操作流程，不但解决过去传统实验教学模式中存在诸多不利因素，并加深了学生对实验原理或实验结果的理解，更有利于学生对电子实验进行深入研究，达到事半功倍的效果。三、电路仿真在电子技术实验课教学中的应用根据建构主义学习理论，以及电路仿真软件所具备的特点和相应的开放式实验教学的要求，强调的就是 “以学生为中心”，基于这一点在电子技术实验教学过程中有着至关重要的指导意义。在实验中，学生要学会实验操作的基本技能，提高实际动手能力，通过实验操作来引导学生从中发现问题、分析问题，并学会运用所积累的理论和实践知识解决具体问题。对于这一些，学生需要自己用心去领会掌握，教师在其中只能对学生起到引导和帮助。建构主义理论告诉我们：教师应该由知识的灌输者转变成引导学生作为主动建构意义的帮助者或促进者，学生也应由外部刺激的被动接受知识的灌输对象转变成为对信息加工的主体。正因为电路仿真软件具有强大的模拟仿真实验功能，学生在使用电路仿真软件进行预习、实验和复习的过程中，自身仿佛置身于真实的实验操作情景之中，这比传统实验过程中面对枯燥的课本模糊了解的效果好得多。在建构主义理论指导下，利用电路仿真辅助实验教学，能充分发挥学生的主动性和创造力，充分展现学生们在实验中的创新精神，能让学生会有更多机会在不同的情景条件下去应用他们已学过的知识运用到实验中去，才能让学生根据自身行为的来反馈信息，从而提高学生对电子理论知识的全面掌握和真正解决实际问题的能力。（一）利用虚拟仿真技术提高实验教学效果随着生活水平的提高，大多数家长都会为学生购买电脑，这样学生就可以不受时间和空间的限制进行虚拟实验。而Multisim是一个专门用于电路设计和电路仿真的软件，它提供了几千种的电子元器件，同时拥有各种常用的虚拟设备,如:示波器、函数信号发生器、逻辑分析仪等，几乎能够完成所有电子技术实验。学生在这样一个“真实”的实验环境进行预习之后，再到实验室进行操作，对仪器仪表的使用和元器件参数的设置已经非常熟练了，这样就缩短了实验的时间，提高了实验效率。例如：滤波器实验（图31），图中的电阻和电容过大和过小都会影响实验效果，如果学生在实验时进行调试，就会花费很多的时间。像这样的实验完全可以要求学生在进行预习时，用虚拟仿真技术调试好参数。实验时就会很快调试出如图32所示的实验效果31。滤除50HZ噪声后的正弦波含有噪声50HZ的正弦波形图31 50HZ带阻滤波器图32 50HZ带阻滤波器波形图特别是进行电路设计时，可以利用虚拟仿真技术对自己设计好的实验方案和实验步骤进行仿真，不但可以很快地对实验参数进行调试，而且可以避免因盲目的操作，对实验仪器的损坏及元器件的浪费，节约实验资源。而且不必担心学生安全的问题，有利于电子技术实验课程的教学与实验。（二） 利用虚拟仿真技术完成复杂的实验电子技术实验是大多数中等院校理工科专业的一门必修课，对提高学生的动手能力和创新力有着极其重要的作用。但是目前电子技术实验基本上是在一个集成的实验箱上来完成的，其实验设备大多数是针对固定的实验及其参数而设计的，学生很难进行自主实验；又因为实验仪器设备频繁使用，元件很容易损坏消耗大，常常因仪器磨损老化而产生实验故障；尤其是对于较为复杂的实验和综合设计性实验，学生在有效的时间内很难完成。针对这些复杂情况，在电子实验课中引入虚拟仿真技术，通过计算机仿真来完成硬件难以完成的复杂实验和综合性实验，同时具有成本低、效率高、设备和仪器损坏率低的好处33。例如：用示波器验证差动放大电路的特性。恒流源差动放大电路是由两个完全对称的放大电路组成，具有两个输入端和输出端。要完成这个实验，是比较复杂的。因为电路要求完全对称，而实际元器件又不可能完全对称，所以，在实际实验中，测量出来的实验结果往往不满意。如果我们用虚拟仿真技术来做这个实验，就可能满足电路完全对称，虚拟仿真出来的结果也比较满意。这更能帮助学生掌握恒流源差动放大电路的工作特点，同时也能加深对输入差模信号是放大和输入共模信号是抑制的掌握。实验仿真步骤如下：创建仿真电路图（图33）图33 恒流源差动放大电路测试差模放大特性将Vi1=V4, Vi20作为输入信号，我们可以将这组信号分成差模信号和共模信号。双击示波器显示图标，从示波器测到输出波形如图34所示。由示波器可测得输入电压Vi=10mV时，输出电压Vo=-45.6mV，由此可计算出单端输出时差模电压放大倍数远远的大于1，所以差动放大电路对差模信号具有放大特性。图 34 输入差模信号差动放大电路输出波形测试共模抑制特性在Multisim电路窗口连接图35所示电路，其中三极管Q1、Q2的两端输入并接在一起，为共模输入信号。双击示波器图标，从示波器测到单端输出时的输出波形如图36所示。图36输入共模信号差动放大电路输出波形图35 共模特性测试电路由示波器可测到输入电压Vi=10mV时，输出电压Vo=-0.975mV，由此可计算出单端输出时差模电压放大倍数小于1，所以差动放大电路对共模信号具有抑制特性。 从上面的仿真实验可以看出，仿真出来的波形与我们理论的分析非常接近，并且它做到了实际实验无法满足的条件。有助于学生加深对电路工作原理的掌握。总之，电路仿真软件在电子技术实验课教学过程中仿真范围广，几乎能够仿真所有的电子实验。在实验过程中，学生可以根据自己的需要来选择元件或仪器，按照实验要求把元器件连接好，这就能有利于帮助他们熟悉实验线路，同时还可以加深对电路的工作原理掌握和记忆。同时，在仿真电路的过程中，学生可以凭自己的意图，自行的设计具体实验方案，根据需