姜樹杰

(天津冶金職業(yè)技術學院 電氣工程系, 天津　300400)

?

巧用虛擬實驗技術解決教學難點——以“電子線路分析與應用”課程教學為例

姜樹杰

(天津冶金職業(yè)技術學院 電氣工程系, 天津300400)

以“電子線路分析與應用”課程實驗教學中放大電路通頻帶的觀測、正弦波振蕩電路的參數(shù)設置對電路起振的影響、數(shù)字電路譯碼和顯示實驗為例,說明將虛擬實驗技術引入課堂教學和實驗教學,能較好地解決教學中的難點,在幫助學生理解抽象理論、提高學習效率、增強實踐技能、提升學習興趣、活躍課堂氣氛、突破教學難點等諸多方面十分有益。

虛擬實驗； 電子線路分析；教學法

“電子線路分析與應用”是電子、電氣類專業(yè)的學生最早接觸的一門專業(yè)性強、較為抽象,因而學習難度較大的專業(yè)核心課程,通過該課程的學習,旨在培養(yǎng)學生分析、應用、設計電子線路的能力[1]。但在實際教學過程中,受課程本身性質(內容繁雜、微觀抽象等)及教學方法和教學手段所限,教與學都存在一定的困難。因此,創(chuàng)新教學手段、巧用虛擬實驗技術輔助教學,將抽象的理論和特性分析具象化、圖像化,既能循序漸進地解決好學生在該課程學習中所遇到的困難,也能更好地抓住重點,對培養(yǎng)學生的學習興趣、提高學生的專業(yè)技術素養(yǎng)和創(chuàng)新能力有很大的幫助[2]。

1　虛擬實驗

虛擬實驗是隨著計算機技術和虛擬儀器技術的發(fā)展而出現(xiàn)的,因其實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性而被廣泛應用。虛擬儀器是計算機技術與電子儀器結合而成的一種新型儀器模式,它利用軟件程序呈現(xiàn)各種儀器面板及操作,能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、存儲、傳送、顯示等功能[3]。

Multisim是Electronics Workbench(EWB)的擴展和升級版,是一款優(yōu)秀的電子技術仿真工具,能完成電路原理圖的創(chuàng)建、參數(shù)測試、仿真運行、結果顯示等[4],換言之,它所提供的虛擬儀器和情境可以仿真和再現(xiàn)實際電路的運行情況。由于仿真元器件的外形、虛擬儀器的控制面板和操作等都遵循與實際物體相似的原則,所以虛擬實驗的完成過程對幫助學生了解電子元器件的特性及參數(shù)、理解電路原理以及組裝、使用儀器儀表有良好的作用[5]。

2　虛擬實驗在解決教學難點中的應用

“電子線路分析與應用”課程教學圍繞電子器件展開,目的是使學生能設計不同功能的電子線路并在實踐中應用。電子元器件和集成電路的特性、電子線路的設計和功能測試、元器件及參數(shù)變化對電路功能和工作狀態(tài)的影響是教學中的重點和難點。利用Multisim仿真系統(tǒng)對電路進行動態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析,可有效、直觀地進行難點釋疑,顯著提高學習效率[6]。

2.1放大電路通頻帶的觀測

通頻帶即放大電路的幅頻特性,用于評價放大電路對于不同頻率信號的放大能力,它能從一個側面反映放大電路對不同頻率信號的適應程度,是小信號放大器的一個重要指標。在現(xiàn)實實驗情境中,學生需要在保持輸入信號幅值不變的前提下,不斷改變輸入信號的頻率并反復測量輸出電壓、計算放大倍數(shù)以及按順序列表記錄,最后將所測數(shù)據(jù)逐點描繪。盡管過程繁瑣,但也只能大致了解信號頻率過低或過高時放大倍數(shù)的降低趨勢,無法完整地測算和描繪幅頻特性(通頻帶),實驗效果難盡如人意。

應用虛擬實驗技術,通過虛擬儀器掃頻儀則能非常方便、直觀地將幅頻特性、幅頻特性的上限截止頻率和下限截止頻率完整呈現(xiàn)。在放大電路中,常引入負反饋來改善放大電路的性能。負反饋能夠改善非線性失真、擴展通頻帶。虛擬實驗技術可直觀地通過比較反饋前后的輸出波形、放大倍數(shù)、通頻帶變化等,增加感性認識,降低了學生理解知識要點的難度。負反饋通過犧牲放大倍數(shù)而換來其他方面性能改善的結論,也通過虛擬仿真而一目了然。圖1所示為觀測通頻帶的虛擬儀器和引入負反饋前后通頻帶的變化比較,現(xiàn)實觀測實驗結果比單純的理論分析更具說服力[7]。

圖1　虛擬儀器和放大電路引入負反饋前后的放大倍數(shù)和通頻帶變化比較

2.2正弦波振蕩電路的參數(shù)設置對電路起振的影響

正弦波振蕩電路的起振需要有滿足振蕩的條件。以RC文氏電橋振蕩電路為例,為實現(xiàn)振蕩和改善輸出波形、減少失真,電路的正反饋系數(shù)F+、負反饋系數(shù)F-必須嚴格遵守起振條件,即F-<1/3(因為F+=1/3)?，F(xiàn)實情境中的示波器只能觀測振蕩電路是否起振了；而虛擬示波器則能直觀地顯示起振過程、電路參數(shù)改變對起振過程及輸出波形的影響(見圖2)。學生通過觀察生動、有趣的起振過程,既體驗到電路設計的關鍵點所在,又加深了對起振條件和選頻、放大、正反饋環(huán)節(jié)對振蕩作用的理解,并通過電路參數(shù)的改變找尋既能滿足起振條件、又能改善失真的最佳值并將其付諸實際。虛擬實驗仿真、直觀、貼近實際的氛圍,使學生自始至終保持著濃厚的學習興趣和探究精神,化學習難點于輕松的仿真操作之中,相對于抽象、單純的講解,在知識的理解和應用上有質的飛躍[8]。

圖2　負反饋參數(shù)不同對正弦波振蕩器起振過程和輸出波形的影響

2.3數(shù)字電路譯碼和顯示

數(shù)字集成邏輯部件的應用在“電子線路分析與應用”課程教學中占有重要的地位。數(shù)字集成電路種類繁多、功能多樣,而編碼、譯碼及顯示承擔著人機對話的重要作用,在數(shù)字電路的實際應用中必不可少。

以CD4511為例,CD4511是一個用于驅動共陰極LED顯示器的BCD碼—七段譯碼器。將BCD碼譯碼并通過7個發(fā)光二極管按十進制數(shù)顯示的過程是教學中的難點,而進行虛擬實驗則能很好地理解這一教學難點。

在虛擬情境中搭接的仿真電路如圖3所示。將BCD碼接入CD4511的譯碼輸入端(BCD碼接入CD4511的同時與顯示譯碼器相連),將輸出端分別接入7個指示燈a、b、c、d、e、f、g,用于代表7段LED顯示。按設計思想,7個指示燈隨輸入BCD碼的變化其發(fā)光與否的不同,來顯示BCD碼所代表的十進制數(shù)。顯示譯碼器顯示的數(shù)字也進一步佐證了其譯碼顯示的正確性(見圖3)。在圖3中,輸入BCD碼0011經(jīng)CD4511譯碼輸出后,7個發(fā)光二極管中e、f不亮，其余都能亮,這樣的結果就把0011所代表的3呈現(xiàn)在顯示器上,實現(xiàn)了譯碼和顯示[9]。

在數(shù)字邏輯電路的教學中,必須讓學生理解“使能端”的作用和重要性,如CD4511的3、4、5腳。在虛擬情境下,3、4、5腳電位的高低對譯碼顯示電路的控制作用(消隱、測試、鎖定保持)都能很直觀地一一呈現(xiàn),對學生理解和記憶“使能端”幫助很大。

3　虛擬實驗與真實實驗互補

高等職業(yè)教育強調以就業(yè)為導向,以培養(yǎng)學生的職業(yè)能力為根本。因此,必須高度重視實踐教學在應用型、技能型人才培養(yǎng)中的作用?！敖?學-做”一體化是促進理論和實踐更好銜接的一種教學模式,但這種教學模式的實施需要教室和實訓室一體化的硬件支撐。受資金短缺、實驗室及實驗工位不足、實驗設備及器件的完好率不高等現(xiàn)實條件所限,走出教室，到實驗室、實習車間、實訓基地去授課還只是美好的愿景。

圖3　CD4511譯碼和顯示

虛擬實驗技術的應用打破了傳統(tǒng)的先理論后實驗的時間差模式(用相當多的時間幫助學生復習要點,學生動手操作的時間被壓縮),將虛擬實驗室(設備齊全、器件豐富完好)帶進課堂,既實現(xiàn)了理論和實踐的同步,又在幫助學生理解抽象理論、提升學習興趣、活躍課堂氣氛、突破教學難點等諸多方面十分有益[10]。

在實驗教學中采用虛擬實驗技術,雖然有節(jié)約成本、維護簡單、資源豐富、方便學生自主學習等優(yōu)點,但它僅作為輔助教學和豐富實驗教學的手段,而完全依賴虛擬實驗替代實物教學和生產(chǎn)實習是不可取的。因為,雖然虛擬實驗已非常形象、直觀,但和真實環(huán)境下的實際操作差別還是很大的。在現(xiàn)實中,學生用虛擬軟件操作實驗得心應手,而面對真實的實驗設備表現(xiàn)出一籌莫展,就是二者之間本質區(qū)別的例證。所以,在“電子線路分析與應用”課程教學中應用虛擬實驗技術,一定不要忘記帶領學生從虛擬環(huán)境中回到現(xiàn)實,在真實情境中去面對和分析出現(xiàn)的問題,在解決問題的過程中提高實驗操作能力、積累實驗方面的心得和經(jīng)驗,并把它們應用在指導虛擬實驗上,使之相輔相成、相互彌補[11-12]。

4　結語

“電子線路分析與應用”的學習只有理論聯(lián)系實際,才能收到好的效果。虛擬實驗技術輔助教學和實驗的開展,創(chuàng)新了教學模式,拓展了學生的實踐空間,突出了以學生為本的教育理念,對學生獨立思考和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)奠定了良好的基礎。

References)

[1] 樊洪雷.談任務驅動教學法用于電子技術教學的效果[J].技術物理教學,2013(4):70-71.

[2] 高勇.淺析職業(yè)院校電子技術專業(yè)的課程教學改革[J].中國科教創(chuàng)新導刊,2012(5):174.

[3] 張烽,吳先球,謝海梅.基于虛擬儀器的數(shù)字電路仿真實驗平臺[J].汕頭大學學報:自然科學版,2012(11):68-74.

[4] 阮武林.基于EWB的電子技術教學有效性[J].新課程,2010(8):6-7.

[5] 冼凱儀.虛擬電子實驗臺在電工電子技術實驗教學中應用[J].廣東工業(yè)大學學報,2001(2):44-48.

[6] 田建艷,夏路易.EDA支持下的電子技術教學實踐[J].教育理論與實踐:學科版,2005(6):54-55.

[7] 涂水林,王燚.運用虛擬仿真技術解決模擬電子技術教學中的難點問題[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2009(13):77-78.

[8] 楊杰.關于電子技術仿真實驗技術的開發(fā)研究[J].宿州教育學院學報,2003(2):77-79.

[9] 孫津平.數(shù)字電路中顯示譯碼器設計的分析與研究[J].現(xiàn)代電子技術,2011(11):189-191.

[10] 李菲.傳感器實驗教學模式的探索與改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2014(1):75-76.

[11] 李玉娜.高校實訓教學探討:以電子技術創(chuàng)新實訓為例[J].廣東技術師范學院學報,2010(4):61-62.

[12] 武英.應用型人才培養(yǎng)下模擬電子技術教學改革與探索[J].教育教學論壇,2015(5):137-138.

Using virtual experimental technique to resolve teaching difficulties: Taking teaching of Electronic Circuit Analysis course as an example

Jiang Shujie

(Electrical Engineering Department, Tianjin Metallurgical Vocation-Technology Institute, Tianjin 300400,China)

The introduction of virtual technology into the classroom can make the abstract theory and characteristics analysis intuitive. It promotes the integration of theory and practice and helps students understand abstract theories, and improves learning efficiency, enhances practical skills and increases the study interests. It can help active classroom atmosphere and breakthrough teaching difficulty.

virtual experiment； electronic circuit analysis; teaching method

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.028

2015- 11- 02

姜樹杰(1964—),男,天津,碩士,副教授,主要從事控制理論、控制工程及電子技術應用教學及研究.

E-mail：13920598579@139.com

G642.4

B

1002-4956(2016)4- 0100- 03

虛擬仿真技術探索與實踐