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在電工電子教學(xué)中應(yīng)用仿真技術(shù)的探索與實(shí)踐
2024-10-11
在電工電子教學(xué)中應(yīng)用仿真技術(shù)的探索與實(shí)踐
摘要:如何提高教學(xué)效率、效果和效益,是技校教學(xué)改革的重要課題。本文論述了仿真
教學(xué)
的優(yōu)越性和可行性,探索在
電工電子
教學(xué)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣、運(yùn)行電路分析、突破教學(xué)難點(diǎn)、開展仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)和第二課堂活動(dòng)的具體做法,走出了一條多快好省地培養(yǎng)技能型人才的路子。
隨著經(jīng)濟(jì)全球化的來(lái)臨,企業(yè)對(duì)技工素質(zhì)要求越來(lái)越高,在技校生源素質(zhì)偏低的情況下,如何創(chuàng)新教學(xué)方法手段,提高教學(xué)效率和質(zhì)量,多快好省地培養(yǎng)大批高素質(zhì)人才,是一個(gè)需高度重視的重要課題。筆者在學(xué)校計(jì)算機(jī)電氣教學(xué)部和電子教研組領(lǐng)導(dǎo)的大力支持與指導(dǎo)下,在所教班級(jí)的電工電子教學(xué)中進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究,將仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中,顯著地提高了教學(xué)效率、效果,節(jié)約了教學(xué)成本,有效地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用新知識(shí)、新技術(shù)的能力,受到了學(xué)生的普遍歡迎和好評(píng)。本文結(jié)合這一教改試驗(yàn)的實(shí)踐,擬對(duì)仿真技術(shù)的應(yīng)用作一些探討。
一、仿真教學(xué)的優(yōu)越性及常用仿真軟件的特點(diǎn):
仿真教學(xué),是指應(yīng)用軟件和技術(shù)借助windows平臺(tái)進(jìn)行輔助教學(xué)活動(dòng)。隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展,仿真教學(xué)越來(lái)越受到人們的青睞。與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比,仿真教學(xué)具有以下明顯的優(yōu)越性:一是仿真軟件中的虛擬儀器和元器件與實(shí)物非常接近,易學(xué)易懂,學(xué)生愛學(xué)愛用,興趣高,且不受場(chǎng)地限制;二是仿真演示和仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)直觀、清晰、生動(dòng),使抽象的概念原理直觀化、形象化,有利于突破難點(diǎn)、加深記憶;三是仿真教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)不必直接接觸強(qiáng)電,不用進(jìn)行元件安裝和焊錫操作,從而避免濺錫傷人、線路短路觸電等危險(xiǎn),達(dá)到安全的目的;四是采用仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn),可隨意調(diào)出軟件中元器件庫(kù)虛擬儀器及各種元器件進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)、安裝,利用虛擬儀器對(duì)設(shè)計(jì)好的電路進(jìn)行調(diào)試及分析,不僅測(cè)試儀器的圖形與實(shí)物相似,而且測(cè)試結(jié)果與實(shí)際調(diào)試基本相似,如同置身于實(shí)驗(yàn)室中,既節(jié)省了購(gòu)買大量元器件和高檔儀器的費(fèi)用,又避免了儀器損壞和元件消耗。這種仿真實(shí)驗(yàn)可由教師結(jié)合教學(xué)內(nèi)容通過(guò)多媒體教學(xué)平臺(tái)演示完成,也可由學(xué)生在課外參照有關(guān)習(xí)題完成。通過(guò)人機(jī)對(duì)話的方式,使每個(gè)人都能親自動(dòng)手接觸電路,進(jìn)行元件接線、參數(shù)設(shè)定,邊連線,邊測(cè)試,邊修改,邊分析,并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,還可隨時(shí)調(diào)整和修改元件參數(shù),分析各元件參數(shù)對(duì)電路的作用與影響。通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論,加深了學(xué)生對(duì)理論的認(rèn)識(shí),教學(xué)效果良好。
近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及,仿真技術(shù)得到了迅速發(fā)展。國(guó)際上一些著名公司先后設(shè)計(jì)開發(fā)了一系列仿真軟件,為仿真教學(xué)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。例如,Multisim2001就是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的電路設(shè)計(jì)和仿真分析軟件,它將電路原理圖、電路仿真及PLD設(shè)計(jì)三者合一,利用該軟件可以建立模擬、數(shù)字及其混合電路,并進(jìn)行仿真。其特點(diǎn)是:易學(xué),實(shí)用性強(qiáng),界面簡(jiǎn)潔,元件庫(kù)齊全,仿真功能強(qiáng)大。又如加拿大Interactive Image Technologies公司設(shè)計(jì)推出的EWB(Electronics Workbench),不但是一個(gè)非常優(yōu)秀的電子設(shè)計(jì)軟件,也是一個(gè)非常優(yōu)秀的電子技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),它提供了示波器、函數(shù)發(fā)生器、萬(wàn)用表、頻譜儀和邏輯分析儀等虛擬電子設(shè)備,還提供了14種分析工具、4種掃描分析、8000多個(gè)元器件模型,其選用的儀器和元器件與實(shí)際情況非常相近。使用者可方便地進(jìn)行原理的輸入和仿真測(cè)試,觀察電路的工作狀態(tài)、穩(wěn)定性、靈敏度,還可以觀察條件、參數(shù)變化時(shí)電路的變化情況,學(xué)生們只要能正確使用常規(guī)儀器,都能較快地掌握軟件所提供的虛擬儀器的使用方法。EWB界面直觀,操作方便,為
電工電子
課程的實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)提供了極大的便利,F(xiàn)在,許多技工學(xué)校都建立了一定數(shù)量的多媒體教室,而且還在普通教室里安裝了多媒體設(shè)備,從而為應(yīng)用仿真軟件輔助教學(xué)創(chuàng)造了條件。因此,在教學(xué)中推廣應(yīng)用仿真技術(shù)是完全可行的。
二、應(yīng)用仿真技術(shù)輔助教學(xué)的實(shí)踐:
電子技術(shù)、電子電路、脈沖與數(shù)字電路等電子類課程概念抽象、直觀性差、原理難懂,加上技校學(xué)生普遍素質(zhì)偏低,對(duì)理論教學(xué)缺乏興趣,故此傳統(tǒng)教法的教學(xué)效果比較差。針對(duì)技校生的實(shí)際,筆者將仿真技術(shù)應(yīng)用到上述課程的教學(xué)活動(dòng)中,達(dá)到了事半功倍、省時(shí)高效的效果。
1.應(yīng)用仿真技術(shù)演示抽象內(nèi)容,激發(fā)學(xué)生興趣
興趣是最好的老師。在電子技術(shù)課程教學(xué)中,筆者常應(yīng)用仿真技術(shù)巧妙精彩地導(dǎo)入要講的內(nèi)容,以激發(fā)學(xué)生的求知欲。例如在講授半導(dǎo)體特性這一課題時(shí),學(xué)生對(duì)電子流和空穴流往往難以理解,為此,筆者應(yīng)用仿真技術(shù)在屏幕上模擬出電子流和空穴流的流動(dòng)過(guò)程:在電場(chǎng)力作用下,電子連續(xù)不斷地向電源裝置的正極移動(dòng),形成了一條電子流;而空穴則向電源的負(fù)極移動(dòng),形成了一條空穴流。它們形成的電流方向一致,外電路的電流等于電子電流和空穴電流之和。通過(guò)這樣的演示,同學(xué)們不但興趣盎然,而且較好地理解了半導(dǎo)體導(dǎo)電的這個(gè)重要特征。
2.應(yīng)用仿真技術(shù)演示電路特點(diǎn),突破教學(xué)難點(diǎn)
將抽象的原理、概念、公式推導(dǎo)直觀化,有利于學(xué)生理解和記憶,從而突破教學(xué)難點(diǎn)。例如電子線路中有關(guān)整流濾波電路的教學(xué),傳統(tǒng)教法是由教師通過(guò)分析電容的充放電過(guò)程對(duì)輸出直流電壓的影響,得出一個(gè)輸出電壓的波形圖,然后對(duì)波形圖進(jìn)行分析,推導(dǎo)出求電容容量C的關(guān)系公式,但學(xué)生往往感到公式抽象,實(shí)際中不會(huì)應(yīng)用數(shù)學(xué)公式。為了突破這一難題,筆者就利用Multisim2001軟件,模擬該電路,操作步驟如下:①選擇程序中的Multisim2001,進(jìn)入原理圖形設(shè)計(jì)環(huán)境的工作界面;②執(zhí)行菜單OptionsPreferences設(shè)置圖紙大小、顏色、字體、連線寬度、邊框等;③在元件工具欄中找出所需的元件,把它們拖放在工作區(qū)域,放置好元件后,再給元件連線;④先用手動(dòng)連線,然后由Multisim2001自動(dòng)完成連線;⑤對(duì)元件進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,先選定元件,然后雙擊鼠標(biāo)左鍵,改變對(duì)話框中的各頊內(nèi)容,達(dá)到改變?cè)䥇?shù)的目的。經(jīng)過(guò)上面幾個(gè)步驟最終可得到整流濾波電路圖。整流濾波電路圖搭建好后,就可以從儀表工具欄中調(diào)出示波器并合理擺放,然后將示波器A通道接輸入信號(hào)端,B通道接輸出端。該示波器的界面與實(shí)驗(yàn)室里常用的示波器的面板很相似,其基本操作方法差不多。啟動(dòng)電路仿真開關(guān),示波器屏幕上出現(xiàn)輸入和輸出兩個(gè)波形。這時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)按鈕不斷改變電容的容量C的大小,觀察示波器波形變化,通過(guò)波形圖的比較就可以直觀地看出脈動(dòng)系數(shù)與電容容量C之間的關(guān)系:當(dāng)容量C增大到一定數(shù)值后,輸出的直流電壓基本是平滑的,繼續(xù)增大C,直流電壓的變化不明顯。這就給我們選擇濾波電容容量提供了實(shí)際依據(jù)。經(jīng)過(guò)這樣的仿真演示,同學(xué)們就較好理解了這一問(wèn)題,從而有效地突破了電工電子教學(xué)的難點(diǎn)。
3.應(yīng)用仿真技術(shù)將仿真實(shí)驗(yàn)引入課堂,有利于一體化教學(xué)
以往進(jìn)行理實(shí)一體化教學(xué),教師需要帶學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室上課,或?qū)?shí)驗(yàn)儀器設(shè)備搬到普通課堂,十分不便。為達(dá)到省時(shí)高效,筆者將EWB的仿真實(shí)驗(yàn)功能引入課堂,進(jìn)行一體化教學(xué),開展師生之間、生生之間的互動(dòng)交流,教學(xué)效果顯著。例如,在教集成運(yùn)算放大器應(yīng)用的“反相與求和電路”課題時(shí),就應(yīng)用EWB仿真軟件在大屏幕上打出圖1所示的仿真實(shí)驗(yàn)接線
圖1中IC為理想集成運(yùn)放,當(dāng)Ui2不接時(shí)為反相比例運(yùn)算電路,U0=- Uil,通過(guò)改變R1和R3的值,可以改變輸出與輸入電壓的比例。當(dāng)接上Ui2時(shí)為反相比例相加運(yùn)算:U0=-( Ui1+ Ui2),通過(guò)改變輸入電壓Ui1、Ui2或改變R1、R2和R3的值,在輸出端可獲得比例相加的輸出電壓。筆者應(yīng)用EWB仿真,邊演示,邊講解,十分方便地分別演示接上或不接上輸入電壓時(shí)輸出端輸出電壓變化的情景,使學(xué)生直觀地看到,當(dāng)改變Ui1、Ui2或R1、R2和R3的值時(shí)可以獲得不同的輸出電壓,應(yīng)用EWB將此電路稍作改動(dòng)即可驗(yàn)證同相求和電路、微分電路和積分電路。在講、練的同時(shí),筆者還要求學(xué)生在課堂中即時(shí)操作或進(jìn)行生生互動(dòng)交流,通過(guò)這樣的講練結(jié)合,教學(xué)效率明顯提高了。
4.應(yīng)用仿真技術(shù)開展模擬實(shí)訓(xùn),實(shí)行“虛實(shí)結(jié)合”
過(guò)去,因受場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)、器材等硬件條件限制,
電工電子
專業(yè)的實(shí)習(xí)課題和時(shí)間安排往往達(dá)不到規(guī)定的要求,不利于學(xué)生實(shí)踐能力的提高。隨著仿真技術(shù)的應(yīng)用,在教學(xué)中,筆者選取有代表性的課題,開設(shè)了一定比例的模擬實(shí)訓(xùn),實(shí)行實(shí)物實(shí)訓(xùn)與模擬實(shí)訓(xùn)相結(jié)合,發(fā)揮了模擬實(shí)訓(xùn)省時(shí)、高效、安全、經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)處,解決了過(guò)去實(shí)訓(xùn)課完全依賴實(shí)驗(yàn)儀器,且電子元器件損耗大和實(shí)驗(yàn)儀器損壞后維修不及時(shí)的問(wèn)題。筆者的做法是,對(duì)基本測(cè)量技術(shù)、常用儀器儀表及元器件使用、基本電路設(shè)計(jì)等電子專業(yè)的基本功,原則上都進(jìn)行實(shí)物實(shí)訓(xùn);對(duì)用真實(shí)儀器難以顯示或需消耗昂貴元器件的課題,通常采用模擬實(shí)訓(xùn);對(duì)設(shè)計(jì)性、綜合性的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,通常安排學(xué)生先進(jìn)行EWB模擬預(yù)習(xí),在理解實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上再安排實(shí)物實(shí)訓(xùn)。這樣將虛實(shí)兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái),可以大大提高實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)效率和質(zhì)量,節(jié)約教學(xué)成本。
5.應(yīng)用仿真技術(shù)充實(shí)、豐富第二課堂活動(dòng),提高學(xué)生的創(chuàng)新能力
搞好第二課題活動(dòng),有利于學(xué)生為適應(yīng)就業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)而提高就業(yè)能力。所以,筆者在課余積極指導(dǎo)電子專業(yè)學(xué)生開展第二課堂活動(dòng),利用EWB進(jìn)行電子線路應(yīng)用、設(shè)計(jì)的模擬訓(xùn)練,有效地促進(jìn)了研究性學(xué)習(xí),提高了學(xué)生的電路設(shè)計(jì)水平。例如,我結(jié)合脈沖波形的產(chǎn)生與整形的教學(xué),指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用EWB軟件進(jìn)行單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電器電路仿真實(shí)驗(yàn),用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)作為輸入信號(hào),通過(guò)示波器觀察輸入、輸出波形。在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行電路設(shè)計(jì),再應(yīng)用EWB模擬驗(yàn)證,然后動(dòng)手制作實(shí)物,使學(xué)生的電子制作水平顯著提高。
三、實(shí)施效果及思考:
在學(xué)校計(jì)算機(jī)電氣教學(xué)部和電子教研組領(lǐng)導(dǎo)的大力支持與指導(dǎo)下,本人在所教班級(jí)的《電子線路》、《電子CAD》等課程教學(xué)中進(jìn)行仿真教學(xué)試驗(yàn),均取得了良好的效果,顯著提高了教學(xué)效率,充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,提高了教學(xué)效率,節(jié)約了教學(xué)成本,受到了同學(xué)們的普遍歡迎和好評(píng)。通過(guò)班級(jí)的問(wèn)卷調(diào)查表明,學(xué)生們普遍認(rèn)為,仿真教學(xué)在課堂氣氛、吸引力、學(xué)習(xí)興趣、理解知識(shí)、記憶程度、學(xué)習(xí)效果等各個(gè)方面都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的知識(shí)講授,值得推廣。這一項(xiàng)教改試驗(yàn)的成功實(shí)踐表明,仿真技術(shù)作為一種高新技術(shù),可以通過(guò)計(jì)算機(jī)及多種輸入輸出設(shè)備創(chuàng)建一種虛擬的情況,讓學(xué)生產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)生活一樣的感覺,使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性大大提高,變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí),提高學(xué)習(xí)效果。
總而言之,仿真教學(xué)雖然不能完全取代真實(shí)的傳統(tǒng)
電工電子
教學(xué)和實(shí)訓(xùn),但只要我們充分發(fā)揮仿真技術(shù)的特點(diǎn),使仿真教學(xué)與傳統(tǒng)知識(shí)講授有機(jī)結(jié)合、融為一體,就一定能有效地減少教師無(wú)效的工作時(shí)間,提高工作效率,節(jié)約教學(xué)資源,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,變被動(dòng)接受灌輸為主動(dòng)建構(gòu)知識(shí),從而提高學(xué)習(xí)效率和效果,實(shí)現(xiàn)多快好省地培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才的目標(biāo)。
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