基于“理实一体、虚实融合”理念的电路分析与设计课程教学改革
时间：2020-12-30 14:03:15 来源：达达文档网 本文已影响 人 
【摘要】针对电路分析与设计难教难学的现状，提出理实一体、虚实融合的教学思想，并在助推渐进式的教学模式中有效落实。应用先进的PROTEUS仿真软件进行电路的前期设计、仿真、调试，理论与实践一体，解决做什么、怎么做、为什么，再以此经验指导实物制作与测试，虚实融合有效提高学习效率，提高学生的电路分析、设计能力。
【关键词】理实一体 虚实融合 电路设计 助推渐进式 教学模式
【Abstract】Specifically for the difficuty of teaching and studying of the circuit analysing and designing， bring forward the teaching thought of integration of theory and practice， fusion of simulation and reality， and have an effect to feel at ease in boosting the dyadic teaching pattern advancing gradually. Applying advanced simulation software PROTEUS to design ，emulation ， debugging circuit， integrat the theory and practice， solve what to do ， how to do and why to do. Under these experience help to make and test material object， fuse simulation and reality ， effectly to raise the analysis and design capacity .
【Keywords】integration of theory and practice; fusion of simulation and reality; circuit design; help and drive progressing gradually;teaching model
【基金项目】1.2015年度高等教育教学改革项目和课堂教学改革项目，（项目编号：
kg2015799）;2.2015年度省教育技术研究规划课题，（项目编号：
JB103）。
【中图分类号】G420 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）35-0208-03
电子电路的分析、设计制作课程是数电、模电的后继课程，定位为数模电综合应用能力提升，是电类专业学生的一项基础必备能力，也是应用电子技术专业的核心能力。师生普遍感觉电子电路难教、难学。分析原因主要有：
（1）元件认知等基本知识缺乏，知识零散。
（2）喜欢操作，逻辑思维能力较欠缺。
（3）教学内容、方法对学生引导、兴趣激发不够强。
（4）检测技能欠缺，检测方法缺乏规范系统性的训练，在实物实践性极强的课程中作品制作耗时大，尤其在理论薄弱的情况下作品调试测试举步维艰，推进缓慢。
针对这一普遍问题，将仿真技术应用到教学中。在助推渐进式的教学过程中充分利用仿真软件的“绘我所想，所见即所得”的可视化特点，激发兴趣，接著进行电路制作前的仿真设计与调试，理论与实践一体，在做中学，掌握知识与科学的方法，解决做什么、怎么做、为什么，最后以仿真实践经验指导规范地制作实物、不断调试修正直到成功！虚实融合，仿真在实物完成中落地有声，有效提升学生的电路分析、设计能力。
1.选择PROTEUS仿真软件作为教学平台
1.1理论、实验、仿真是科学的学习内容、方法[1]
随着电子信息技术的发展，计算机仿真技术在各行各业中得到了广泛的应用。仿真技术“成为认识客观世界的除理论、实验之外的第三种方法”（王子才院士）。“科学还包含第3个方面的内容，即计算机仿真，并由计算机仿真将理论和实验两方面连接起来。”（美国前国家科学基金会主任Rita Colwell）。仿真技术已有半个世纪的发展历史，促进了科技、工业、农业、国防、经济、社会等的发展。例天气预报、核爆炸、航空航天业、桥梁工程等的仿真研究、VR眼镜等。
1.2选择PROTEUS进行电路分析与仿真[2-5]
将仿真技术作为内容和方法手段融入教学（仿真教学）也是教学发展的必须途径，当下火热的信息化教育教学建设，正是校、政、企、行共同推动的结果。如中国教育技术协会仿真技术专业委员会于2013年成立“电子信息类仿真研究会”，旨在强力助推电信类课程建设。
在国内外的电子课程中都有不同程度的应用仿真技术。如剑桥等大学以PROTEUS仿真平台作为电子设计教学与考核的载体与工具。国内电路类课程教学主要用MULTISIM，PRORTEUS与MULTISIM都是源自SPICE3F5同一仿真内核，但PRORTEUS显示直观、交互便捷的特点明显优于MULTISIM，更适合善于形象思维的高职学生。
2.实用项目、可视化讲解激发兴趣
2.1选择日常实用的电路
学用结合，以实用的价值抓住高职学生。所以选择日常实用电路，如定时开关电路（如楼梯或卫生间的灯）、光控开关和报警电路、消防车声音报警电路、售票或超市门禁等身高范围检测电路、三极管β值分选电路、电子脉搏计电路、顺序控制电路、温度控制电路、红外水龙头控制电路、数控步进电机（如绕线机）、可烧性气体报警电路（如宾馆内）等。
2.2 看视频、明目标、增信心
看电路实物作品运行视频，视听结合，感受更真实，更易激发学习兴趣，如暗动报警，手一遮挡光敏电阻，便发声警示;如双音报警电路确实能发出像消防车的声音;再如可燃性气体报警器，运行过程很清楚，先上电预热，黄灯亮，绿灯表示正常，预热后黄灯灭;检测到危险气体时红灯亮，并发声报警！同时传递“看得清，做得到，行得通”榜样力量以增强学习信心。
2.3仿真分析知原理，挖掘知识深度
以图1振铃音响电路为例。
图1 振铃音响电路原理图
三级CMOS反相器构成的多谐振荡电路级联形成间隔性的蛐蛐蛐蛐——蛐蛐蛐蛐的音响电路。第一级如图1中虚线框内，为超低频振荡器，决定第二级（U1：C、U1：D）的低频振荡间隔时长，第二级决定发声缓急，第三级决定发何种音的音频。借助虚拟示波器很容易理解三级振荡的控制关系，如图2所示，还可观测信号周期，即可观形更可测精确值！调整C1、R2则改变每段蛐—蛐声的间隔;调整C2、R5改变发声缓急;调整C3、R7改变声音。结合仿真波形和二极管单向导通钳位作用，使第二级在第一级输出高电平时振荡，第三级在第二级高电平时振荡。若二极管反接，则后一级在前一级低电平期间振荡。再做进一步挖掘，若D1、D2中只保留一个会怎样？D1、D2都去掉会怎样？并做出合理解释！带着问题进行下一步的仿真实践！
图2 用虚拟示波器观测振铃音响电路的信号波形
3.助推渐进式的教学模式
由于高职学生基础及学习习惯特点，在渐进式教学进程中老师的助推是有效教学的保证！如图3所示，在课堂上进行三段助推。
图3 助推渐进式教学主线示意图
以触摸延时开关电路为例，首先是课题简介，接着播放实际电路的运行视频，手一摸灯就亮，维持约30秒。划分电路功能模块，按信号流向设计出电路框图，如图4上部，明确做什么！接下来进行电路仿真演示并适当地分析、讲解。
图4 触摸开关的控制框图及在各状态下电流流向示意图
3.1“看电流流向”初步分析电路
借助PROTEUS的电流探针，看电路工作状态，初步理解电路工作原理。如图4左侧未触摸时Q2、Q3中无电流;当触摸的瞬间，Q1放大电流使Q2迅速饱和同时通过R2对C1充电，Q3也导通LED得电发光;手松开， Q2截止，C1通过R2、R3-Q3放电，流过LED的电流慢慢下降，灯渐灭。
3.2捕捉、分析电压轨迹，理解电路原理
在图4 中标出5个结点，A、B、C、D、E，它们的结点电压表示为Va～Ve。如图5应用PROTEUS图表仿真功能进行电压变化分析。末触摸时Va电平约0.6V，LED的阳极Ve也是0;而电容阴极C结点、Q3的基极D结点状态相当于电源引线开路，故此时Vc=Vd=Vcc=5V。一触摸，三个三极管相继迅速导通，Va≈1.5V， Q1放大电流使Q2极速饱和，Q3导通当开关用，其基级电平基本维持在4.3V，Q2的c极电平迅速降低接近0，同时电容C1快速充电，充电结束时LED阳极电平Ve≈4.4V，手一松开，放电开始，Q1截止，Va接近0V，C结点电平Vc随放电抬升，Q3趋向截止，LED阳极电平Ve则缓降。Ve小于LED阈值时截止无电流。也可通过电流探针观测各支路的电流。
图5 用PROTEUS交互图表进行关键结点电压分析
通过以上仿真分析，电路瞬态及不可见的电压电流的渐变过程非常明了。很容易理解电容这一储能元件因为放电而形成的灯亮延时的效果;理解了三极管的开关，放大，截止三种工作状态。
3.3仿真实践，“三导”助学，促进师生发展
接下来每个学生进行仿真设计、调试与测试实践，鼓励同学相互讨论交流学习，教师在学生中间走动，实施三导教学，即“方法引导”、“实践行动督导”、“及时指导”。纸上得来终觉浅，亲自实践才是硬道理。学生在PROTEUS仿真平台上将自己的思想通过电路绘制表达出来，接着进行仿真测试并判断正误，根据公式τ≈RC计算充放电时长，观测LED亮多少秒？修改电容值为470μF或R2、R3的值，观测LED灯亮时长，进一步理解充放电过程及其时间的决定因素！不断修改测试直到成功。在这样的想、绘、测、判、改循环操练中，理性思维与理性的实践密切配合，即掌握了设计工具的应用，也通过仿真测试、判断，加深理解了电路原理，深入理解理论又促使设计实践少走弯路，提高学习效率。边动手边动脑的学做一体反复训练下，學生清楚自己在做什么，也逐渐明白为什么这样设计！一点点积累成功经验，体验收获的喜悦，学习信心一步步加强，学习兴趣也就在不自觉中建立起来，能利用仿真平台进行自主探索学习，获得更大的学习自由性和发挥空间。老师也逐渐得到解放，关注前沿、改革教学，形成良好的教与学相长。
3.4进阶设计，训练创新思维与能力
想一想，改一改，测一测，可能有新发现！
（1）R4的作用是什么？修改阻值观测LED电流进行分析。（2）电源在5V和12V时的电路状态有何差异？（3）在Q3的集电极增加一电平指示电路（用LM3914搭建），更直观地观测放电时输出电平渐小过程。（4）试自行查资料分析触摸延时照明电路。
4.实物作品制作与调试
仿真成功后再进行实物制作，学生实践目标非常明确，实物评测方法与标准也已在仿真时完成训练，所以成功率一般在90%以上。虚与实的结合使高效的仿真学习在实物实现中安全着陆。平时以仿真训练为主，可适当安排约5次实物制作训练，一人一作品。期末为综合作品仿真设计与制作。
首先自行负责领元件。老师预先将元件分类放置，学生按自己的电路元件清单自认自领，自测好坏。其次电路布局、焊接：布局沿电流方向;接线规矩：电源、地线分别为红、黄色，其它连线用别的颜色导线;元件面尽量少走线;焊接面直线整洁清晰;需操作元件方位要便于操作。接着测试：（1）上电前进行通、断检查;（2）电路无误后通电，观测现象，并记录灯亮时长，做好如表1所示的报告;（3）可接入示波器观测充放电过程;（4）处理实物调试中的问题，并做好记录。最后答辩展示交流！
表1 触摸延时开关电路设计与制作报告
5.结论
仿真是科学先进的学习方法与手段！将实用电路项目、仿真实践、作品制作有机结合，进行“理实一体、虚实融合”的教学改革研究与实践有效地提高了学生的理论与实践技能，培养了严谨的工程态度和科学的学习方法。也为学生自主学习提供了较好的平台条件。
参考文献：
[1]张靖武，周灵彬.高职仿真教学研究与实践[J].中国职业技术教育，2009（8） P64-66
[2]张靖武，周灵彬.单片机原理、应用与PROTEUS仿真（第三版）[M].北京：电子工业出版社，2014：P151-154
[3]曹发强.仿真技术在职教电子技术教学中的应用[J].《都市家教：下半月》，2013（5）P194
[4]陈军.Proteus仿真技术与数字电路教学整合的实践，《大学物理实验》，2012（3）P92-94
[5]“基于PROTEUS的电子产品的仿真设计[J].电子技术应用，2010（9）P74-77
作者简介：
周灵彬（1978-），女，甘肃人，副教授，硕士。主要研究方向：智能控制。
