（福建船政交通職業(yè)學(xué)院信息工程系，福建 福州 350007）

《電工電子技術(shù)》課程是福建船政交通職業(yè)學(xué)院電子信息工程技術(shù)專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，70 學(xué)時，是一門實踐性很強的技術(shù)平臺課。為了支撐后續(xù)專業(yè)課程，如“微機原理與接口技術(shù)”“單片機原理及應(yīng)用”“LED 原理及應(yīng)用”“顯示技術(shù)”等的學(xué)習(xí)，教學(xué)內(nèi)容涵蓋三大部分：電工電路、模擬電路、數(shù)字電路，具體分為9 大模塊：直流電路、電路暫態(tài)分析、正弦交流電路、三相交流電路、半導(dǎo)體二極管和三極管、基本放大電路與集成運算放大電路、直流電源、門電路和組合邏輯電路、觸發(fā)器和時序邏輯電路。課程內(nèi)容涉及的理論知識較多并且比較難，學(xué)生反映不好掌握。

一、高職院校電工電子技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀

（一）學(xué)生特點

現(xiàn)在高職院校學(xué)生生源普遍多樣化。中職生源學(xué)生數(shù)理化方面的知識較薄弱，對學(xué)好這門課程的理論部分缺乏自信心；普通高中生源學(xué)生因沒實際接觸過電子元件，對實踐部分無從下手，容易產(chǎn)生逃避心理。原有的傳統(tǒng)教學(xué)模式，希望在有限的課堂時間內(nèi)讓學(xué)生掌握更多知識，會按照教材進行大量的理論知識講解，中職生源學(xué)生對部分較難理解的理論知識囫圇吞棗，日積月累，慢慢地失去學(xué)習(xí)興趣，最終自我放棄、消極對待。普高生源學(xué)生一遇到實驗，看到一堆電子元器件，不知所措，實驗成功率較低，礙于面子，慢慢地能躲則躲，越來越被動。若能找到一種教學(xué)方法改正兩種生源學(xué)生各自的學(xué)習(xí)弱點，合理引導(dǎo)他們在學(xué)習(xí)中互為補充、相互配合，發(fā)揮各自優(yōu)點，定能提高教學(xué)效果。

（二）電工電子技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前，大部分教師還是利用課程教材相關(guān)教學(xué)PPT 文件按傳統(tǒng)模式進行教學(xué)。傳統(tǒng)教學(xué)模式主要以教師為中心學(xué)生被動接受，該模式的優(yōu)點是有利于教師發(fā)揮主導(dǎo)作用，有利于教師對課堂教學(xué)的組織、管理與控制，有利于理論知識的高強度集中傳授。［1］但它往往忽略了學(xué)生的主動創(chuàng)造性和主體認(rèn)知作用，限制學(xué)生發(fā)揮想象力，特別是一些微觀世界現(xiàn)象或內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜的理論知識，學(xué)生在原有知識的基礎(chǔ)上難以建構(gòu)新的知識。電工電子技術(shù)是一門理論指導(dǎo)實踐，在實踐中進一步理解理論的課程，理論與實踐并重，但從高職教育的特點以及就業(yè)導(dǎo)向考慮，重在培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力。但實際教學(xué)中由于學(xué)生理論知識不扎實，又受到學(xué)時與實驗場地限制，實驗無法開展太多，并且多數(shù)實驗內(nèi)容是根據(jù)已知原理圖搭建實物圖進行理論知識驗證，往往造成學(xué)生認(rèn)為實驗只是簡單的電路接線和結(jié)果測試。比如在實驗教學(xué)過程中，考核學(xué)生各電子元件在搭建的實物電路板中的功能或如何快速判斷電路搭錯范圍時，學(xué)生無法運用所學(xué)知識解析，往往拖長排錯時間。因此傳統(tǒng)教學(xué)模式不完全適于高職院校電工電子技術(shù)課程教學(xué)，無法培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力與解決實際問題的創(chuàng)新能力，應(yīng)該對原有的教學(xué)方法進行改革。

二、基于EDA 技術(shù)的仿真教學(xué)法

EDA 是電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation）的縮寫，它以計算機為工具，設(shè)計者通過EDA 軟件平臺，完成各類電子系統(tǒng)的設(shè)計、仿真、直至特定目標(biāo)芯片的設(shè)計。［2］在教學(xué)中引入EDA 技術(shù)是使用EDA 的軟件平臺，如Multisim，Proteus 進行教學(xué)仿真。仿真教學(xué)也稱為模擬教學(xué)，就是用計算機來模擬真實自然現(xiàn)象或社會現(xiàn)象，［3］是一種將理論與實踐相結(jié)合的新教學(xué)手段。它與傳統(tǒng)的現(xiàn)場教學(xué)法有異曲同工之處。現(xiàn)場教學(xué)法是直接在實習(xí)基地和模擬現(xiàn)場進行教學(xué)，邊講邊做。這種教學(xué)方法的好處是直觀性強，可把所學(xué)知識馬上付諸于實踐。［4］但在實際應(yīng)用中，由于搭建電工電子技術(shù)所需的實習(xí)基地或模擬現(xiàn)場需要大場地和大量實驗設(shè)備，所需成本較高，此教學(xué)方法不容易實現(xiàn)。再者，目前計算機技術(shù)與多媒體技術(shù)的高速發(fā)展，人類知識以文字、圖形、圖像、動畫、音頻、視頻等多種形式呈現(xiàn)并傳播，人類可以發(fā)揮不同感觀獲取知識。據(jù)教育學(xué)家研究表明，人類接受知識主要是靠視覺和聽覺，就其比例來說，視覺占83%，聽覺占11%，味覺占1%。［5］在記憶方面，只聽不看的，三天后留下的印象是15%；邊聽邊看的，三天后留下的印象是75%。［6］因此，在電工電子技術(shù)課程教學(xué)過程中如果能把理論知識以圖形圖像或動畫視頻方式呈現(xiàn)，學(xué)生邊聽邊看，就能夠得到更好的學(xué)習(xí)效果。仿真教學(xué)法通過仿真不僅能為學(xué)生提供近似真實的訓(xùn)練環(huán)境，［7］又能呈現(xiàn)事物動態(tài)變化過程，因此，在很大程度上能彌補客觀實驗條件的不足，是傳統(tǒng)教學(xué)方法的有利補充。

三、應(yīng)用NI Multisim 軟件實施仿真教學(xué)舉例

NI Multisim 軟件是美國國家儀器有限公司（NI）推出的基于Windows 平臺的仿真工具，［8］適用于包括電工電路、模擬電路、數(shù)字電路、單片機仿真電路、電路故障診斷應(yīng)用電路等多種電子電路的設(shè)計、測試及特性分析。該軟件的元件庫器件數(shù)量多，虛擬儀器有20 多種，可建立虛擬實驗室，鑒于該軟件的優(yōu)勢，在電工電子技術(shù)課程理論教學(xué)中引入基于Multisim 軟件的虛擬仿真演示，把抽象知識具體化，并促進課程理論與實踐環(huán)節(jié)的有機融合。［9］課程教學(xué)模塊“電路暫態(tài)分析”中，主要圍繞電容、電感在暫態(tài)電路中的特性展開。暫態(tài)過程對電路的影響大，但它發(fā)生時間短，為提高學(xué)生對該知識點的具體認(rèn)知，應(yīng)該在課堂教學(xué)中向?qū)W生具體展示實驗過程與結(jié)果，但調(diào)試過程會比較長，影響整個教學(xué)進程。因此，在本模塊教學(xué)中引入多個仿真演示，以下就以一階RC 電路應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容為例，介紹利用Multisim 的虛擬仿真進行教學(xué)改革的具體實施過程。

學(xué)生獲取知識的途徑大部分是通過聽覺，大部分學(xué)生反映知識比較抽象，在學(xué)習(xí)這一知識點的過程中沒有實感，不好理解以至于很容易忘記推出的結(jié)論。因此，在理論課堂教學(xué)中引入Multisim 仿真一階RC 電路的實際應(yīng)用，模擬實驗環(huán)境，以動態(tài)的形式呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生通過更多視覺刺激獲取知識。圖1 左邊電路是一階RC 積分電路，圖1 右邊是相應(yīng)的波形圖。圖1 左邊電路的電阻與電容各取最大值的30%，這個值在仿真過程中可以隨時調(diào)整，“XFG1”是信號發(fā)生器，在該電路中，信號設(shè)置為矩形脈沖波，頻率1kHz，占空比50%，幅度2.5V，偏置2.5V，即輸入信號是5V/1kHz 的方波信號。［10］示波器輸入通道A 接信號發(fā)生器，即顯示方波信號；通道B接電容兩端，即顯示電容兩端電壓變化波形。通道A、B 的連接線顏色可自行選擇，此時我們?yōu)橥ǖ繟 默認(rèn)選擇黑色，通道B 選擇紅色，即電容充放電波形為紅色，目的是為了更清晰地進行波形對比。實際仿真過程中，圖1 到圖4 的所有波形圖都是沿水平t 軸動態(tài)變化的圖形。從圖1 右邊的動態(tài)波形圖中可以很容易觀測到，當(dāng)方波為高電平時，電容此時處于充電狀態(tài)，反之，方波為低電平時電容放電。此時脈沖寬度tp=0.5T=0.5/f=0.5ms，τ=0.3*103*0.3*10-6=0.09ms，tp>τ，電容充放電速度較快。還可以從波形圖看出，在高低方波的末尾，兩種波形有一段重疊，即方波還未從高電平跳到低電平時，電容已充電完畢；反之，放電波形也有重疊現(xiàn)象。通過調(diào)整R、C 參數(shù)改變電路時間常數(shù)，得到不同的輸出電壓波形圖。如圖2 所示，τ=1*103*1*10-6=1ms，當(dāng)方波脈沖電壓從0 跳變到5V 時，電容開始充電，由于此時τ>>tp，電容兩端電壓增長緩慢，還沒達到5V 時，方波脈沖電壓已經(jīng)從5V跳變?yōu)?，電容開始放電，還沒放電完畢，方波脈沖電壓又跳變?yōu)楦唠娖?，輸出端得到一個近似鋸齒波電壓。此時，可以告訴學(xué)生，在脈沖技術(shù)實際應(yīng)用中，需要將矩形脈沖信號變?yōu)殇忼X波信號就是應(yīng)用此類積分電路。圖3 左邊電路與圖1 電路一樣，只是選擇電阻兩端電壓作為電路輸出電壓，稱之為微分電路。此時，tp還是為0.5ms，τ=0.75*103*0.8*10-6=0.6ms，此時τ>tp。調(diào)整R、C 參數(shù)，可以得到不同的電壓波形。當(dāng)τ=2*103*1*10-6=2ms>>tp時，輸出電壓接近輸入電壓波形，如圖4 左邊所示。此時，可以告訴學(xué)生，此電路常用于多級放大電路的阻容耦合電路中，阻容耦合電路將在此課程的后半部分學(xué)到，學(xué)習(xí)電子技術(shù)知識需要電工知識的支撐，不要再質(zhì)疑為何要學(xué)習(xí)抽象的電工知識了。當(dāng)τ=0.1*103*0.15*10-6=0.015ms<

圖1 積分電路與波形圖

圖2 鋸齒波形圖

圖3 微分電路與波形圖

圖4 時間常數(shù)不同時的輸出電壓波形圖

圖5 測試幅頻特性電路

圖6 測試幅頻特性電路

為拓展RC 電路知識，在圖1 所示電路中，把示波器換成博德圖儀（Bode Plotter），如圖5 所示，分別測試R、C 的幅頻特性。博德圖儀水平軸設(shè)置為線性形式，初始值和最終值分別為1Hz 和1kHz，垂直軸設(shè)置為線性形式，初始值和最終值分別為0 和1，“XBP1”和“XBP2”分別測試電容C、電阻R 的幅頻特性，得到如圖6 所示的幅頻特性圖。從圖6 的左圖看出，由于電容的容抗與頻率成反比（ZC=1/2πfc），其輸出響應(yīng)幅度隨著輸入信號掃描頻率從低到高不斷下降；電阻阻抗與頻率無關(guān)，此時高頻分量主要加在電阻上。因此一階RC 電路具有高通（電阻輸出電路為高通電路）或低通（電容輸出電路為低通電路）的濾波特性。電容與頻率關(guān)系知識點在之前講解電容特性時已經(jīng)學(xué)過，此時通過電路仿真能夠鞏固并拓展已學(xué)知識，進一步加深學(xué)生知識記憶。

通過教學(xué)實踐證明，在課堂理論教學(xué)中引入仿真演示教學(xué)法能夠打破時間和空間的限制，通過仿真軟件設(shè)置各種參數(shù)與模擬條件，能夠更高效地向?qū)W生傳授知識；所有的操作均不是現(xiàn)場實施，節(jié)省實驗室或?qū)嵙?xí)基地建設(shè)資金，也絕對不會帶來危險的后果，［11］保證師生安全；仿真軟件可由學(xué)生獨立操作，獨立完成，能夠為學(xué)生提供充分動手的機會，也杜絕學(xué)生做實驗時弄虛作假；學(xué)生仿真時間靈活，不局限于課堂，更容易調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性；教師可以布置相應(yīng)的作業(yè)，拓展學(xué)生知識，讓學(xué)生更直接地感受到知識的魅力。