【摘要】分析了當(dāng)前微世界理論的發(fā)展及其在模擬仿真中的應(yīng)用現(xiàn)狀，進(jìn)一步研究了基于微世界理論的PSpice軟件在教學(xué)中的應(yīng)用，通過一個PSpice軟件在電子教學(xué)中應(yīng)用的具體案例，討論了PSpice在教學(xué)中的應(yīng)用方法，以期對相關(guān)應(yīng)用有所幫助。

【關(guān)鍵詞】微世界;PSpice;電子教學(xué);模擬仿真

【中圖分類號】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)01—0127—03

一 微世界理論及其在模擬仿真中的應(yīng)用

微世界(Microworld)一詞最早由Papert提及，特指Logo的學(xué)習(xí)環(huán)境。Logo語言主要作為激發(fā)學(xué)習(xí)者思考、創(chuàng)造、認(rèn)知發(fā)展的學(xué)習(xí)環(huán)境。利用簡單的電腦幾何作圖，學(xué)習(xí)者可以學(xué)習(xí)基本的程式設(shè)計(jì)、邏輯思考、幾何空間概念與解決問題的方法。它能夠讓學(xué)習(xí)者用很簡單的指令，學(xué)習(xí)控制“海龜”的移動，并觀察其移動的軌跡和特性;借由將“操作海龜”轉(zhuǎn)變成自己的物件來創(chuàng)造出自己個人的視覺世界，進(jìn)而產(chǎn)生有趣的邏輯問題與幾何現(xiàn)象，探索邏輯與幾何觀念問題，最后提出假設(shè)加以驗(yàn)證并解決問題[1]。

微世界是一種模擬真實(shí)世界現(xiàn)象與環(huán)境的發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)系統(tǒng)(環(huán)境)。它只是提供某一個學(xué)科知識領(lǐng)域的微小但完整的“世界”，將微世界作為向?qū)W習(xí)者傳遞知識和技能的一種環(huán)境或一種載體[2]。創(chuàng)建微世界環(huán)境的目的是為了向?qū)W習(xí)者提供一個可供自由探索、完全自主控制的學(xué)習(xí)環(huán)境，在該環(huán)境中學(xué)習(xí)者可以對學(xué)習(xí)進(jìn)行自我組織，自行確定學(xué)習(xí)內(nèi)容與目標(biāo)，從而達(dá)到幫助教師講授某個教學(xué)難點(diǎn)，或幫助學(xué)生學(xué)習(xí)某個知識技能點(diǎn)和探究新知的效果。

當(dāng)前微世界的教學(xué)或?qū)W習(xí)環(huán)境大多是借助計(jì)算機(jī)化建模技術(shù)構(gòu)造的，從這個意義上講，可以將微世界看作是一個有效整合計(jì)算機(jī)科技與模擬環(huán)境的認(rèn)知學(xué)習(xí)支援工具。由于微世界具有仿真模擬真實(shí)環(huán)境的特點(diǎn)，它已經(jīng)被逐步應(yīng)用到數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等各種不同的領(lǐng)域:20世紀(jì)90年代開始在中國廣泛應(yīng)用的“幾何畫板”工具解決了平面幾何、物理矢量分析、作圖和函數(shù)作圖的難題，把抽象的內(nèi)容以形象的方式呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者;臺灣學(xué)者張基成以微世界在自然科學(xué)學(xué)習(xí)上的應(yīng)用為著眼點(diǎn)，開發(fā)出名為《小小旅行家微世界探險(xiǎn)》的微世界學(xué)習(xí)環(huán)境，其設(shè)計(jì)理念正是提供模擬真實(shí)世界現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)式與探索式的經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，借助于模擬與實(shí)驗(yàn)活動，促進(jìn)學(xué)習(xí)者主動發(fā)現(xiàn)與探索問題的認(rèn)知?dú)v程，從而激發(fā)學(xué)習(xí)者高層思考、多元創(chuàng)造、主動積極學(xué)習(xí)與解決問題的能力[3]。

二 PSpice在教學(xué)中的應(yīng)用

在電子技術(shù)教學(xué)中經(jīng)常會遇到這樣的情況:學(xué)生對專業(yè)中所涉及的實(shí)用技術(shù)有濃厚的觀察和動手興趣[4]，但對課堂教學(xué)卻十分厭惡。究其原因主要就是教學(xué)時因?yàn)閷W(xué)時的限制和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限性，使教師無法全部采用邊講理論邊做實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，以至于學(xué)生的好奇心被磨滅，甚至使學(xué)生對模電這門課產(chǎn)生畏懼，認(rèn)為“模電就是魔鬼電路”。

由于微世界要求學(xué)生對模擬的環(huán)境可操縱、可建構(gòu)，因此將基于微世界理論的仿真軟件引入到電子線路課堂教學(xué)中進(jìn)行輔助教學(xué)可以大大改善教學(xué)的效果。比如現(xiàn)在比較流行的PSpice軟件，它允許學(xué)習(xí)者利用它提供的元件構(gòu)造各種模擬電路和數(shù)字電路，并可以動態(tài)測試電路的性能，幫助學(xué)生在理論學(xué)習(xí)過程中及時印證所學(xué)的內(nèi)容，理解電路的復(fù)雜變化工程，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的。

PSpice是由SPICE發(fā)展而來的用于微機(jī)系列的通用電路分析程序。SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美國加州大學(xué)伯克利分校于1972年開發(fā)的電路仿真程序。隨后版本不斷更新，功能不斷增強(qiáng)和完善。PSPICE可以對眾多元器件構(gòu)成的電路進(jìn)行仿真分析，能進(jìn)行模擬電路分析、數(shù)字電路分析和模擬數(shù)字混合電路分析。其主要分析功能包括直流分析、瞬態(tài)分析、蒙特卡羅(Monte Carlo)分析和最壞情況(Worst Case)分析等，用它還可以觀察到變量的各種波形數(shù)據(jù)列表，功能強(qiáng)大[5]。

下圖是PSpice A/D的運(yùn)行界面，PSpice A/D (included in OrCAD with PSpice v10.5)是一個全功能的模擬與混合信號仿真器，它支持從高頻系統(tǒng)到低功耗IC設(shè)計(jì)的電路設(shè)計(jì)。PSpice的仿真工具已和 OrCAD Capture及Concept HDL電路編輯工具整合在一起，讓工程師方便地在單一的環(huán)境里建立設(shè)計(jì)、控制模擬及得到結(jié)果。

在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，除了要求學(xué)生掌握一些常用儀器的使用方法和參數(shù)測量方法外，一般要求學(xué)生通過所做實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步掌握有關(guān)元器件及電路的各種性能，通過直觀的實(shí)驗(yàn)鞏固所學(xué)的理論知識。然而對于復(fù)雜電路，學(xué)生在短時間內(nèi)很難把握電路輸出及各種性能指標(biāo)。由于PSpice的仿真計(jì)算精確，利用PSpice仿真軟件進(jìn)行電子電路的分析驗(yàn)證幾乎與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果一致。PSpice有文本和圖形兩種輸出方式，有利于學(xué)生對電路的全面理解，而且具有完全不耗材和元器件資源、儀器儀表資源豐富及設(shè)計(jì)調(diào)試安全等特點(diǎn)。

三 教學(xué)應(yīng)用實(shí)例

1 教學(xué)問題

我們結(jié)合一個具體的教學(xué)實(shí)例來對PSpice在模擬電子教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述。如圖2a是一個乙類互補(bǔ)對稱功放電路(參照PSpice幫助文檔中功率放大器電路仿真例題及聯(lián)系)，基于該電路要解決如下問題:

第一，Vi幅值為5V，頻率為1KHz的正弦波。作瞬態(tài)分析，觀察輸出Vo形的交越失真。進(jìn)一步作直流掃描分析，求失真所對應(yīng)的輸入電壓范圍。

第二，為減小和克服交越失真，在兩基極間加上補(bǔ)償二極管及相應(yīng)電路，以供給T1和T2兩管一定的正向偏壓，構(gòu)成甲乙類互補(bǔ)對稱功放電路(圖2b)。再作瞬態(tài)分析，觀察輸出Vo交越失真是否消除。

第三，求圖2b的最大輸出電壓范圍。

2 教學(xué)過程

在PSpice中可以通過以下步驟來分析該電路:首先進(jìn)入Schematics主窗口，繪出圖a所示電路，并設(shè)置好參數(shù)，接著按以下步驟進(jìn)行解題:

第一，設(shè)置瞬態(tài)分析(Transient)功能。得瞬態(tài)波形如圖2c所示，可看出Vo有交越失真。再設(shè)置直流掃描分析(DC Sweep)，信號源Vi的掃描范圍為-2V~+2V。得電壓傳輸特性如圖2d所示，由圖中看出，輸入電壓在-0.68V~+0.68V范圍內(nèi)出現(xiàn)失真。

第二，將電路改成圖2b的形式，重復(fù)(1)的步驟，可得電路的瞬態(tài)波形和傳輸特性分別如圖2e、2f所示，可看出Vo已無交越失真。

第三，設(shè)置直流掃描分析，電壓源Vi的掃描范圍為-10V~+10V。得電壓傳輸特性如圖2g所示，由圖中看出，最大輸出電壓范圍約為-5V~+5V。

3 討論

根據(jù)上述教學(xué)實(shí)例，我們可以看出基于微世界理論的PSpice模擬仿真軟件在輔助教學(xué)中可以起到如下作用:

(1)將實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)課堂，提高教學(xué)效率

微世界倡導(dǎo)的學(xué)習(xí)模式是情境式、經(jīng)驗(yàn)式、自我調(diào)節(jié)式的“在做中學(xué)”。在有關(guān)電子技術(shù)的部分教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)耗時多，實(shí)際操作難度大，難以在課堂時間內(nèi)穿插演示，而人的記憶具有隨時間推移遺忘率增大的特點(diǎn)，如果理論與動手的時間間隔較長，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率就會降低。例如在上述“乙類互補(bǔ)對稱功放電路”教學(xué)中通常采用分段式教學(xué)，論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)部分分開進(jìn)行，但這樣會造成知識在傳授過程中的斷點(diǎn)。應(yīng)用PSpice輔助教學(xué)就能直接在課堂上快速、完整的建構(gòu)出實(shí)驗(yàn)原理圖，并且能夠展現(xiàn)完美的仿真實(shí)驗(yàn)過程，及時顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(2)調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的分析、應(yīng)用和創(chuàng)新能力

微世界學(xué)習(xí)環(huán)境的出現(xiàn)為學(xué)生問題的解決提供了嶄新的平臺，促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)后將知識遷移到實(shí)際環(huán)境中，學(xué)生可以借助于微世界建立問題空間的模型，通過假設(shè)驗(yàn)證等類似科學(xué)家探究問題的方法來解決遇到的問題。例如在該教學(xué)實(shí)例中，學(xué)生可以在PSpice中添加或修改各種元器件以探索解決乙類互補(bǔ)對稱功放電路出現(xiàn)的交越失真問題的方法。它可以加強(qiáng)學(xué)生與學(xué)習(xí)環(huán)境的交互，使學(xué)生明確問題的性質(zhì)，進(jìn)而作出明確的表征，并通過建模調(diào)試到反思和總結(jié)，在遍遍錯誤和重新尋找解決辦法的反復(fù)過程幫助學(xué)生解決問題。同時學(xué)生還能對問題所涉及的相關(guān)知識有更深刻的理解，達(dá)到將所學(xué)知識融會貫通的目的。

(3)可以恰當(dāng)運(yùn)用反例教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)與解決問題的能力，優(yōu)化教學(xué)效果[6]

微世界可以培養(yǎng)學(xué)生觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題、尋找資料、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、執(zhí)行實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證結(jié)果與討論結(jié)果等系統(tǒng)化程序的能力。在傳統(tǒng)電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課中，對實(shí)驗(yàn)時接線的要求非常嚴(yán)格，萬一接錯線可能會燒壞元件甚至燒壞儀表，不僅造成實(shí)驗(yàn)材料的浪費(fèi)而且還有一定的危險(xiǎn)性。而將PSpice引入教學(xué)后，學(xué)生則不必畏首畏尾，可以把電路圖故意接錯，設(shè)置短路、斷路、漏電等故障:如在電路中接一指示燈進(jìn)行故障仿真時會出現(xiàn)指示燈被燒壞或不亮等現(xiàn)象，此時再加上教師的及時解釋和強(qiáng)調(diào)，將會給學(xué)生留下深刻的印象，從而大大減少實(shí)際操作中的線路故障率，節(jié)約實(shí)驗(yàn)材料，提高實(shí)驗(yàn)效率，改善和提高學(xué)生掌握正確的測量方法和熟練使用儀器方面的能力。PSpice給學(xué)生提供了模擬真實(shí)情景的問題情境，是學(xué)生應(yīng)用知識、解決問題的一種良好的訓(xùn)練工具。

四 結(jié)語

簡言之，基于微世界理論的PSpice軟件具有逼真再現(xiàn)真實(shí)電路并能自行操作的顯著特點(diǎn)，將其作為一種教學(xué)媒體和教學(xué)環(huán)境引入電子技術(shù)的課堂可以給學(xué)生留下深刻的印象，顯示出傳統(tǒng)教學(xué)不可比擬的優(yōu)勢。它能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，激勵學(xué)生積極主動的學(xué)習(xí)思考，從而達(dá)到認(rèn)識事物、啟發(fā)思維、激發(fā)想象、引導(dǎo)感情的目的，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，提高了學(xué)生實(shí)踐和動手能力，培養(yǎng)了學(xué)生勇于探索不斷創(chuàng)新的能力，促進(jìn)了電子技術(shù)課堂面貌的革新，使電子技術(shù)不再枯燥。但同時也應(yīng)看到電子實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生動手能力的重要性，電路的焊接和調(diào)試的實(shí)際操作是該軟件無法實(shí)現(xiàn)的，因此完全依賴微世界而舍棄實(shí)際操作是不可取的，在實(shí)際教學(xué)中必須將兩者合理結(jié)合，充分發(fā)揮仿真軟件在電子教學(xué)中的魅力，達(dá)到最佳教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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[5] A.Vladimirescu.SPICE通用電路模擬程序用戶指南[M].北京:清華大學(xué)出版社，1993.

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