《电子技术基础》虚拟实验室的创建及其在课程教学中的应用

广州市番禺区钟村职业技术学校   莫润石

    摘要：本文根据我校教师的教学实践,介绍了利用电脑软件创建《电子技术基础》虚拟实验室的方法和一些实例并详细探讨了虚拟实验室在课程教学中的应用及要掌握的教学方法。通过这些例子，我们可以看到电子设计自动化(EDA)在《电子技术基础》实验教学中的广阔前景，也是一种对学生创新能力培养的有效工具。利用计算机的电子设计自动化(EDA)应是电子技术教学今后的发展方向。

    关键词：电子技术基础；虚拟实验；电路仿真教学。

一、《电子技术基础》虚拟实验室在课程教学中的重要地位

众所周知要学好电子技术，就必须进行大量的实验并且从直接的实验结果去总结知识进而掌握知识，然而在目前来说很多学校由于种种主观上或者客观上的原因还不能具备让学生进行大量实验的条件，我们利用《电子技术基础》虚拟实验室在计算机上进行虚拟实验，虚拟实验作为实验教学的补充，使学生增强对电路的认识，掌握电路基本原理、元件参数及各种仪器的使用和测试方法。《电子技术基础》虚拟实验室可由教师结合教学内容通过多媒体教学平台演示，学生通过这个平台在课外参照有关习题更改电路和元件参数进行电路仿真。虚拟实验可随时调整和修改元器件参数，能使每个人都能亲自动手设计电路,进行元件接线,参数设定，边仿真，边测试，边修改，边分析，并与理论结果进行对照。虚拟实验的制作和测试过程就是最好的学习过程。总而言之，利用《电子技术基础》虚拟实验室教学有下面的优点：（1）、保障了学生和设备的安全（2）、避免了烦琐，提高了效率（3）、可以很方便地仿真实际中我们不能完成或者比较难完成的实验（4）、功能全，弥补了实验室里面实验元器件的不足。（5）、技术更新周期短。（6）、开放灵活，与计算机同步发展。（7）、实现自动化、智能化。广州市中职电气教研会多次进行了《电子仿真技术在教学中应用》的专题讲座。旨在通过讲座，使我们电子技术教师认识到如何利用电子仿真技术行辅助教学。广州市中职电气教研室还推荐了二本书：《电子技术仿真实验教程》和PROTEL 99 SE实用教程。可见电子仿真技术行辅助教学受到了广州教研室的重视，他们说“利用仿真教学是电子技术教学变革的标志”。

二、《电子技术基础》虚拟实验室的创建

1、《电子技术基础》虚拟实验室的创建的软件支持

    电子设计自动化（EDA）技术可作为《电子技术基础》虚拟实验室的创建的软件支持。电子设计自动化使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动设计。EDA是在计算机辅助设计（CAD）技术的基础上发展起来的计算机设计软件系统。常用虚拟电子实验室软件有Circuit Maker6 、Multisim2001及PROTEL 99 SE。其中大家用得较多的有 Multisim2001又叫Electronics Workbench (EWB)它具有这样一些特点：（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。（3）有丰富的电路元件库(8000余种，Multisim2001更是达到数万种)提供了较为详细的电路分析功能。（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。（5） EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。因此非常适合电子类课程的教学和实验。

2、创建《电子技术基础》虚拟实验室的方法和内容：

利用EDA软件创建《电子技术基础》虚拟实验室的方法见流程图1

结合《电子技术基础》这门课，创建虚拟实验室的内容包括模拟电子电路虚拟仿真实验室、数字电子电路虚拟仿真实验室、模拟和数字电子电路混合虚拟仿真实验室。

3、创建《电子技术基础》虚拟实验举例：

下面用一个例子谈谈如何利用Circuit Maker6 创建《电子技术基础》虚拟实验室：例：晶体管分压式放大电路的测试与调整的实验：晶体管共发射极分压式放大电路图如下图2：

（一）创建这个实验的具体工作如下：

（1）    放置电路元件：

由开始、程序中启动Circuit Maker6，在File菜单中选择New命令来新建绘图文件，利用快捷键取出所需的元件：

快捷键r：取5个电阻，双击电阻修改标名名称（Designation），标示值（Label-Value），并选择Visible复选框。

    快捷键Shift+c：取3个电解电容，双击电解电容修改标名名称（Designation），标示值（Label-Value），并选择Visible复选框。                                                                  

快捷键1：取电源+V 5V，双击正电源修改标名名称（Designation），标示值（Label-Value）为6V，并选择Visible复选框。

快捷键g：取信号发生器，双击信号发生器修改峰值（Peak Amplitude）为15mV，频率（Frequency）为1kHz。

快捷键R：取电位器R_P，双击取电位器修改标名名称（Designation）为R_P，标示值（Label-Value）为47k，并选择Visible复选框。

（2）    在工具栏中单击连线工具（Wire Tool）连好线。

（3）在工具栏中单击测试工具（Probe Tool），点击C1负极端，便会出现一个测试点的符号A，点击C₂负极端，也会出现一个测试点的符号B。A、B测试点中选择TRAN复选框，在Min.Scal处输入-500m，在Max.Scal处输入500m。

（4）设置仿真分析：在Simulation菜单中选择Analyses Setup命令设置，在弹出的对话框中，选择Transient/Fourier的Enabled复选框。设置为默认值（Set Defaults）。选择万用表（Multimeter）的Enabled复选框并设显示为DC AVG值。

（5）执行仿真：按快捷键F10可执行仿真。

（二）、利用实验进行仿真操作：

（1）    静态工作点测试： 通过理论计算得：

U_B= E_C R_b2/（R_b1+ R_b2+R_P）， I_CQ≈I_EQ = (U_B –U_BE) /R_e，

I_BQ = I_CQ /β                U_CEQ = E_C –I_CQ R_C – I_EQ R_e

调节R_P（47K的35%），双击信号发生器修改峰值为0mV（静态），按快捷键F10可执行仿真，此时用万用表（Multimeter）测得I_C值为1mA，继续测出此时的晶体管三个极B、C、E的静态值U_BQ，U_CQ，U_EQ，把测量值和计算值填入的实验表1如下所示：

（2）测试增大R_P最大值(47KΩ的99.999%)、合适或最小值(47KΩ的0.0001%)，双击信号发生器修改峰值为15mV（动态），记录此时的I_C值实验表2：

通过模拟双踪示波器可观察R_P=16.45KΩ时的输入B与输出A波形图3：

（3）改变输出负载，计算电压放大倍数。

电压放大倍数是输出电压有效值U_O与输入电压有效值U_i的比值，用万用表（Multimeter）测量时，改变显示为AC RMS值。得出虚拟实验的实验表3如下：

我们通过多次实验发现，虚拟实验与实际实验基本上一致，而且虚拟实验与理论计算较为吻合。

三、《电子技术基础》虚拟实验室应用探讨。

    随着教学理论的不断发展和现代科学技术成果广泛应用于教学，教学方法也在不断随之改进、完善、发展和创新。教学方法改革朝着“三个强调”、“五个有利”的方向发展。三个强调：一、强调提高效率，使教学更科学、更有效；二、强调学生的学法，让学生参与到掌握知识的过程中去，让学生成为学习的主人，教会学生如何学习；三强调通过各种活动、各种途径让学生认识世界。五个有利：一有利于充分调动学生的学习积极性；二有利于激发学生的学习兴趣和求知欲；三有利于学生生动活泼地学习；四有利于培养学生独立思考刻苦钻研的探索精神；五有利于提高教学质量。虚拟仿真实验室为我们提供了在电子电路课堂教学方法中实现上述目标的理想平台。

1、理论与实践紧密结合的教学方法

 电子电路是一门实践性很强的课程。长期以来在其课堂教学中，尽管采用了实物演示，幻灯、投影、电影、录象、VCD以及CAI课件等多种教学方法来加强教学的直观性、形象性、生动性，试图作到理论教学与实践的紧密结合，提高课堂教学效率和教学质量。然而它们都存在很大的不足。实物演示方法虽然有直观、生动、真实的特点，但演示准备工作量大，不便观察。教学演示的内容一旦确定，其可变性很小，灵活性差。幻灯、投影、电影、录像和VCD方法虽然省去了一些因写板书、绘波形图、画电路图而大量占用的教学时间，使单位时间内的教学容量增加，教学效率得到较大提高，但是幻灯片、投影片、电影片、录象片、VCD片一经制作完成，它们就具有完整性、固定性、特定性、封闭性的特征。CAI课件虽然可以实现一些简单的交互，这在一定程度上激发了学生的学习兴趣。但CAI与幻灯、投影、电影、录象、VCD一样只能完成预先准备好的教学,不能作出预先没有准备的任何行为。教师只能按预先CAI课件设计的程式教，学生按固定程式学。由此可以看出，由于受到所用媒体技术本身教学特性和教学功能的局限，从而制约了电子电路课堂理论教学与实践的紧密结合，制约了教学效率和教学质量的进一步提高。然而应用虚拟实验室的电子课堂教学，是在虚拟的电子电路环境（在计算机上的电子实验室）中，师生借助计算机自然地、高效地与仿真软件上的电子元器件、电子仪器、分析工具等进行实时交互作用，相互影响。使教师、学生感觉到自己置身于一特殊的教与学的环境之中, 从而产生亲临真实电子电路环境的感受和体验。由于教师、学生是从虚拟环境的内部向外观察，而不是作为一个旁观者由外向内观察，因而电子电路环境更加逼真。在课堂教学中我们将保存在磁盘、U盘或计算机硬盘上的电子教学课件输出到与计算机相连的大屏幕投影屏上，而在网络教室则通过仿真软件内嵌的局域网联网功能，将教学内容直接显示在学生机上。由于利用仿真软件做成的电子教案具有开放性、可变性和实时交互性等功能特征，因此在教学中能够根据课堂实际情况和教学需要，实时调整（增添、插入、删除和改写 ）教学内容和教学进度,并进行仿真实验，实现了实时交互式的教与学。同时由于把电子电路理论教学放在了虚拟的电子实验室里进行，使电子电路课堂教学情境化，增强了教学的直观性、形象性、生动性和时效性，激发了学生的学习兴趣，实现了课堂理论教学与实践的紧密结合，提高了课堂教学效率和教学质量。

2、实时启发、探究式的教学方法

在虚拟仿真实验室的课堂上，首先，电子元器件的符号、命名、电路标识都遵循统一的标准，使得师生间或学生间在学习过程中的协作与会话能形成有效的交流。其次，计算机储存量大和处理速度快的功能使EWB完成对电子电路参数的设置和仿真，数据、图形的分析和处理，结果的输出和存储等都只须鼠标轻点几下即可完成，因而在课堂上师生间能有充分的交流，学生的疑问、新奇的想法等都可以得到即时的验证和尝试。真正实现了“所想即所得”的高效交流。运用虚拟仿真实验室创设的开放性、情境化、高效性的学习环境，在教学中我们以“问题情境一建立模型一解决问题与拓展”的模式展开，对新知识的学习都以相关问题情境的研究作为学生学习这些知识的有效切入点。例如在单极放大电路的教学中，我们依据学生已有的知识背景和活动经验（学生已具备PN结、放大、晶体三极管导通的外部条件等基本知识，会用虚拟仿真实验室，能正确使用数字电表、示波器、信号发生器等虚拟仪器），首先由教师创设问题情境。（如：要求完成能对幅度10mV、频率1kHz的正弦波信号不失真放大20倍，负载电阻为1k。）第二步，由学生根据已有的知识背景和活动经验进入到EWB环境中,调用电子元器件、电子仪器等来建构放大电路，通过对电路的反复仿真、修改和调测，学习和掌握了有关单极放大电路的电路类型、静态工作点、非线性失真、饱和失真、截止失真和频率特性等知识，并最终完成教学任务。在整个教学过程中通过设问、提问、课堂讨论以及实时仿真模拟等方法对学生的学习给与实时指导，作到了电子电路课堂教与学的实时交互，从而使学生获得大量动手实践，动脑思考的机会，实现了以学生为中心的电子电路课堂教学。EWB进入课堂教学,其作用不仅是教师传授知识的工具，同时也是学生学习的对象，更是学生的认知工具。同样为学生创造了更多的动口、动脑、动手的机会，使学生的学习状态由被动变为主动，学习积极性大大提高。同时也因它更贴近现代科技、更具有时代气息而受到学生的欢迎。

3、由于虚拟技术由软件确定，与物理硬件系统有差异，存在下列的局限性：

（1）、缺少“实物感”。

（2）、虚拟技术很难仿真实际无器件参数的离散性：例如，标称值与实际值的误差，无器件老化参数的离散性等。

（3）、系统中各种实际干扰信号的影响在虚拟技术中难以仿真。

（4）、虚拟技术的各种软件不统一，各有各的优点。

    总之，利用电子仿真软件的电子电路课堂教学不仅实现了理论与实践的紧密结合，实现了实时启发和探究式的教与学，而且计算机仿真技术能把复杂事物简化、变抽象为具体、微观的事物放大、宏观事物缩小，缩短时空距离。同时可以把许多抽象和难以理解的内容变得生动有趣，动态地演示一些现象,化难为易,使教学中的难点、重点变得一目了然,便于学习者观察与思维,从而更好地理解和掌握所学知识，有效地实现精讲，突出重点，突破难点。计算机仿真技术还能模拟一些用语言难以清楚表述的，以及现实实验不易进行的内容。利用电子仿真软件的学习环境，丰富了电子电路课堂教学方法，拓展了教学内容的广度和深度。为学生创造了更多的动口、动脑、动手的机会，使学生的学习状态由被动变为主动，学习积极性大大提高。同时也因它更贴近现代科技、更具有时代气息而受到学生的欢迎。但是，我们也要认识到

电子技术是一门实验科学，从培养人才的角度出发，加强传统的硬件实验内容是必不可少的，只有这样才能培养学生以确凿的事实为依据，认真仔细，一丝不苟的工作作风；严密观察，细心思考，寻求规律的探索精神。硬件实验的“真实感”是软件所不能替代的！在大量硬件实验基础上进行虚拟实验才有意义。

参考文献：

1、阎金铎、查有梁编著：《物理教学论》，广西教育出版社，1996年版。

2、张念宏主编：《教育百科辞典》，中国农业科技出版社，1988年版。

3、朱力恒（广州市无线电学校）主编：《电子技术仿真实验教程》，电子工业出版社，2003年4月。

4、李新平主编：《电子设计自动化技术》，高等教育出版社，2001年10月。

5、《电子技术基础》，广东高等教育出版社，2001年8月。

6、莫润石：《谈<电子技术基础>虚拟实验室创建》刊登在《实验教学与仪器》杂志2003年第12期中。

8、郑步生、吴渭编著，《Multisim2001电路设计及仿真入门与应用》电子工业出版社,2002(2)