翟麗，陸運(yùn)華

(洋浦經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)高級技工學(xué)校，海南洋浦，578101)

1 中職電類專業(yè)理實一體化教學(xué)的現(xiàn)狀分析

1.1 生源現(xiàn)狀

在當(dāng)前升學(xué)熱的刺激下，一方面廣大公、民辦普通高中迅速擴(kuò)招，另一方面中職學(xué)校畢業(yè)生的就業(yè)質(zhì)量受培養(yǎng)質(zhì)量的限制還不是很理想。以上兩方面的原因致使當(dāng)前很多中職學(xué)校生源嚴(yán)重不足，很多學(xué)校連教育主管部門下達(dá)的招生計劃都無法完成，就更別奢談生源質(zhì)量了。

在生源質(zhì)量和數(shù)量均無法保證的辦學(xué)背景下，中職電工電子類專業(yè)的課程對學(xué)生來講又普遍具有較高的數(shù)理分析要求，這樣的一對突出矛盾更加加劇了中職電工電子類學(xué)生的厭學(xué)情緒。教學(xué)過程中普遍存在原理講不通、學(xué)不懂，實踐操作無條理，依樣畫葫蘆和盲目操作的現(xiàn)狀。教學(xué)效果遠(yuǎn)達(dá)不到要求。更有甚者還出現(xiàn)了學(xué)生厭學(xué)、教師厭教的惡性循環(huán)，課堂生態(tài)實在令人堪憂。

1.2 教學(xué)環(huán)境現(xiàn)狀

諸多中職學(xué)校雖也引入了理實一體化教學(xué)模式，以期改善課堂教學(xué)生態(tài)、提高教育教學(xué)效果，但在真正實施過程中很多學(xué)校受到設(shè)備不足、設(shè)備老舊、耗材成本高等諸多因素制約，具體體現(xiàn)如下。

設(shè)備臺套數(shù)不足：電工電子類專業(yè)教學(xué)設(shè)備種類繁多，價格比較昂貴，在一些落后地區(qū)，很難配備種類齊全、數(shù)量充足的各式各類教學(xué)儀器設(shè)備，這使教學(xué)開展十分困難，甚至有的實驗實訓(xùn)根本無法開出，部分學(xué)生直到畢業(yè)都不會操作使用一些高端精密儀器設(shè)備。

設(shè)備老舊：很多學(xué)校以為設(shè)備一投入就一勞永逸了，學(xué)校教學(xué)設(shè)備老舊跟不上技術(shù)發(fā)展是個普遍問題，也是一個長期存在的問題。由于成本原因，教學(xué)設(shè)備不可能做到頻繁更新?lián)Q代，更有甚者是現(xiàn)有設(shè)備很多年久失修，處于癱瘓半癱瘓狀態(tài)，處于有效使用。這就導(dǎo)致了很多實訓(xùn)內(nèi)容無法實現(xiàn)，學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量難以滿足社會實際需要。

耗材成本高：在諸如電子產(chǎn)品設(shè)計裝調(diào)等實訓(xùn)實驗課中，由于學(xué)生首次接觸、不熟練等原因，往往會導(dǎo)致大量元件器材被浪費。

基于中職學(xué)校電類專業(yè)的上述實訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀，通過我們在實踐中的摸打滾爬，覺得非常有必要引入一種虛擬仿真技術(shù)來彌補(bǔ)常規(guī)教學(xué)中的不足，以期達(dá)到理→虛→實結(jié)合、互為融通的良好教學(xué)課堂生態(tài)。

2 虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)勢

近年來，隨著信息技術(shù)與學(xué)科教育的高度融合，各類電學(xué)仿真軟件也呈百花齊放百家爭鳴之態(tài)勢，著名的就有美國NI公司的Circuit Design Suite14套件（內(nèi)含基于Spice內(nèi)核的multisim14板級板級仿真軟件和ultiboard制版軟件），英國New Wave Concepts公司的電子電路仿真設(shè)計四 件 套（Bright Spark、LiveWire、PCBWizard、Control Studio），匈牙利DesignsoftInc.公司的Edison立體聲光實驗室，英國Lab Center Electronics公司的Proteus，國產(chǎn)的CAD_eSIMU、宇龍機(jī)電控制仿真軟件，還有三菱、西門子等PLC的仿真軟件，其擅長領(lǐng)域各有千秋。如Multisim、BrightSpark、Edison等軟件就擅長電子電路仿真，Proteus軟件擅長電子電路和單片機(jī)程序仿真，CAD-eSIM、宇龍機(jī)電控制仿真軟件就擅長繼電接觸器控制電路仿真，PLC仿真軟件則擅長挺行圖程序邏輯仿真。

這些軟件雖然各自擅長的領(lǐng)域不同，但他們都有以下共同的特點：①界面呈現(xiàn)生動直觀、視覺沖擊感強(qiáng)烈，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和水平；②內(nèi)核建模精確、仿真結(jié)果非常逼近實際結(jié)果；③仿真操作具有很強(qiáng)的交互性、用戶沉浸體驗感很好；④共享性能好、非常符合時下流行的線上線下混合式教學(xué)理念，有利于突破實驗實訓(xùn)教學(xué)的時空限制；⑤軟件操作界面友好，容易上手。

基于虛擬仿真軟件的以上諸多優(yōu)點，使得其在教育教學(xué)和生產(chǎn)領(lǐng)域得以迅速的普及，現(xiàn)在很多的職業(yè)院校都將其作為電類專業(yè)課程教學(xué)和實驗的一種不可或缺輔助手段，也不失為工程技術(shù)人員研發(fā)生產(chǎn)的有力助手。

針對目前電類專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀存在種種不足，虛擬仿真技術(shù)展現(xiàn)出來的優(yōu)勢又恰好能很好地彌補(bǔ)這些不足，二者自然一拍即合。那么如何將二者很好地結(jié)合起來呢？我們認(rèn)為可以整合理（論）、虛（擬）、實（踐）資源，構(gòu)建“理虛實一體化”新型教學(xué)模式。

3 基于虛擬仿真軟件的理虛實一體化課堂教學(xué)案例解析

接下來我們就分別以New Wave Concepts公司的電子電路仿真設(shè)計四件套中的Bright Spark和PCB Wizard兩個軟件來介紹在中職學(xué)校電子技術(shù)基礎(chǔ)課程“理實一體化”教學(xué)中的典型應(yīng)用為例，來闡述虛擬仿真軟件在中職“理虛實一體化”課堂教學(xué)中的獨特優(yōu)勢。

Bright Spark是一個非常有趣的電路模擬軟件，廣大電子愛好者、初學(xué)者可以借助其探索神秘的電子世界。初學(xué)者只需結(jié)合電腦屏幕上的動畫和真實的模擬結(jié)果來幫助我們理解和遨游深奧的電子世界。

它不需要你具有深厚的專業(yè)基礎(chǔ)知識，軟件包自身內(nèi)置的課件可以幫助初學(xué)者學(xué)習(xí)電子學(xué)背后的關(guān)鍵原理。同時，你還可以繼續(xù)使用該軟件中包含的大量元器件和儀表來搭建你自己的專屬電路，并調(diào)節(jié)測試它，觀測電路運(yùn)行結(jié)果，驗證電路原理。

PCB Wizard 3是制作PCB電路板高度創(chuàng)新的軟件包。通過強(qiáng)大的設(shè)計工具和友好的用戶界面提供無與倫比的生產(chǎn)力，因此PCB Wizard 3是您電子產(chǎn)品線路設(shè)計項目工作的理想選擇。此外，它還與Bright Spark、Control Studio 2和Livewire能實現(xiàn)無縫集成，PCB Wizard 3在世界各地已擁有超過20,000名注冊用戶，足以說明其影響力之大。

所謂一圖勝千言，下面我們就按圖索驥地進(jìn)行電路的仿真和設(shè)計工作，如圖1所示。

起動Bright Spark軟件，其界面非常的友好清新，我們在初始界面中通過第①或第②方式即可輕松打開電路設(shè)計工作窗口（如圖1“中圖”所示），設(shè)計者只需從軟件自帶的元件、儀器庫中按需調(diào)取搭建電路所需的元件和儀表，合理布局在電路設(shè)計工作窗口中，然后按著電路工作原理正確連接電路（只需用鼠標(biāo)移至元件或儀器的端子點擊即可繪制導(dǎo)線，按住不放拖拽至下一元件端子即可完成兩元件之間的導(dǎo)線連線）。連接完所有電路之后，點擊工具欄上的運(yùn)行按鈕即可開始電路模擬仿真工作過程。

圖1 Bright Spark界面及其仿真進(jìn)程

圖1的“中圖”是橋式整流電路的正半周仿真實際狀態(tài)，當(dāng)變壓器二次側(cè)的電壓瞬時極性為上“＋”下“-”時（由于變壓器初、次級的同名端為上、下端對應(yīng)，此時輸入交流電源為負(fù)半周），整流橋中兩對臂上的二極管V1、V4導(dǎo)通，負(fù)載上的電流自負(fù)載的上端流向下端，發(fā)光二極管LED2導(dǎo)通工作、LED2截至不工作，而二極管V2、V3由于承受反偏電壓而截至，從示波器的觀測窗口也能測量到與之一致的效果（紅色波形為CH1通道所測變壓器二次側(cè)正負(fù)交替變化的交流電波形，藍(lán)色波形為負(fù)載兩端極性單一的脈動直流電波形）。

圖1的“下圖”是橋式整流電路的負(fù)半周仿真實際狀態(tài)，當(dāng)變壓器二次側(cè)的電壓瞬時極性為上“-”下“＋”時（由于變壓器初、次級的同名端為上、下端對應(yīng)，此時輸入交流電源為正半周），整流橋中兩對臂上的二極管V2、V3導(dǎo)通，負(fù)載上的電流仍是自負(fù)載的上端流向下端，發(fā)光二極管LED2導(dǎo)通工作、LED2截至不工作，而二極管V1、V4由于承受反偏電壓而截至。二極管V1、V4和V2、V3如此輪流交替導(dǎo)通，將輸入正負(fù)極性交替變化的正弦交流電整流為極性單一（始終在X軸的正半周）的脈動直流電，從而完成對交流電的整流。

同時，我們通過調(diào)節(jié)負(fù)載回路中的電位器PT的阻值，可以非常直觀地看到負(fù)載LED2在串聯(lián)不同阻值的電阻的時候，其明亮程度不一樣，當(dāng)然我們也可以借助Bright Spark中的直流電流來更為精確的測量PT阻值變化時負(fù)載中的電流數(shù)值。

以上工作過程也可以直觀地從仿真畫面上二極管V1～V4的開、斷情況和示波器所測輸入/輸出波形圖觀察到，非常符合中職學(xué)生（或初學(xué)者）的認(rèn)知規(guī)律和認(rèn)知水平。

接下來我們在如圖1“上圖”所示的Bright Spark窗口中依次的單擊“File”→“Convert to PCB…”下拉菜單，即可一鍵打開與之配套的PCB Wizard軟件進(jìn)行PCB線路板的布線工作，具體如圖2所示。PCBWizard在完成飛線布局之后會彈出“自動布線完成，100%的網(wǎng)絡(luò)連接被成功地布線了”的提示對話框，點擊“OK”按鈕即可生成圖2“下左圖”所示的敷銅電路板圖，圖2“下右圖”為三維實物安裝圖。

從圖2可以看出，在Bright Spark中一鍵啟動PCB Wizard并生成合格PCB印制電路板圖可謂是一氣呵成。我們只需將最終的印制板圖送至印制電路板生產(chǎn)廠家或者自己在實驗室用熱轉(zhuǎn)印法轉(zhuǎn)印到覆銅板上，再用蝕刻劑腐蝕的方法即可制作出一款成功的印制電路板，最后按仿真電路原理圖將元器件裝配焊接到印制電路板上，一款合格的橋式整流電路即可大功告成。高效高質(zhì)地完成從電路的仿真設(shè)計→一鍵生成PCB→焊接裝配成型產(chǎn)品→調(diào)試運(yùn)行，實現(xiàn)從原理驗證到產(chǎn)品制作一整套完整的設(shè)計生產(chǎn)流程，真正實現(xiàn)了“理→虛→實一體化”實驗（實訓(xùn)）過程。

圖2 一鍵啟動PCB Wizard 自動布線流程圖

4 結(jié)語

在電子類實驗教學(xué)中引入一些易學(xué)好用、直觀形象、視覺沖擊感強(qiáng)烈的虛擬仿真軟件，是未來電子類實驗教學(xué)發(fā)展的必然趨勢，它不僅符合信息化媒體時代成長起來的這代學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和認(rèn)知水平，有效降低學(xué)科認(rèn)知難度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生實驗（實訓(xùn)）的參與度與沉浸感、獲得感，極大改善課堂生態(tài)和效率。而且可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗（實訓(xùn)）中看不到、進(jìn)不去、成本高、危險性大等不利因素的影響。

將虛擬仿真軟件和課堂教學(xué)有效融合不僅能減少實驗耗材的損耗并延長實驗設(shè)備的更換周期，大大降低經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)職業(yè)院校的辦學(xué)成本。而且還能有效提高學(xué)生的動手實踐能力、工程設(shè)計能力與創(chuàng)新思維能力，為社會主義新時代培養(yǎng)更多合格的創(chuàng)新型應(yīng)用技術(shù)人才提供智力支持。

虛擬仿真軟件與技術(shù)教學(xué)的結(jié)合使得實驗（實訓(xùn)）課不僅僅局限于傳統(tǒng)實驗課中的定理驗證與教材實驗項目之內(nèi)的實驗，而是把實驗與工程實踐應(yīng)用能力高度結(jié)合起來，把理論教學(xué)、虛擬實驗與工程實踐三位一體、有機(jī)融合，使得我們的實驗課不再是局限于學(xué)校實驗室和課堂，而是將實驗教學(xué)的時間延伸至課外、空間延伸至校外，從而實現(xiàn)“理虛實一體化”實訓(xùn)課課上、課下，線上、線下的高度混合式學(xué)習(xí)，學(xué)生只要有靈感就可隨時隨地開展自己的創(chuàng)意設(shè)計實踐，不再受時間和空間的限制。