仿真技术在职教电子技术教学中的应用

【摘 要】本文针对中高职学校在电子技术教学中存在的困难，提出了使用计算机电路仿真技术来完成教学的方法，通过实例介绍了如何在电子技术教学中使用NI Multisim 10进行电路仿真。本文讲述了在桥式整流电路的教学过程中，引入仿真教学的具体操作步骤，对比了传统教学模式与引入仿真技术后教学的差异。

【关键词】仿真技术；电路仿真；桥式整流电路；中高职教法改革

在上一个世纪中，发展最迅速，对人类世界影响最为深远的技术就是电子计算机技术，如今人类社会步入了信息时代，人们的工作、生活、学习、娱乐等活动都发生了翻天覆地的变化。计算机仿真技术（以下简称仿真技术）就是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术，它是随着计算机技术的发展而发展起来的一门新兴技术。

职业教育是直接服务于社会生产，担负着为社会培养高素质技能人才的使命，进一步提高教学质量，更好地服务于社会是每一个职业教育工作者最大的愿望。通过教学实践证实，在职业教育教学过程中引入仿真技术、广泛地应用仿真技术，是提高教学质量的一个很有效的途径。

在职业教育众多专业课程中，电子线路教学中存在的困难有一定代表性，现在就以电子线路课程的教学为例，来探讨一下在教学过程中引入仿真技术，给教学带来的变化。目前能够实现电子线路仿真的软件很多，但在教学中应用最多的还是Altium公司推出的Protel 99 SE 和NI公司推出的NI Multisim 10，本文以NI公司推出的NI Multisim 10为例。

NI Multisim 10是美国NI公司在2007年3月推出的NI Circuit Design Suit 10软件中的一个重要组成部分，它可以实现原理图的捕获、电路分析、交互式仿真、电路板设计、仿真测试、射频分析、单片机等高级应用。它有着直观的操作界面、丰富的元器件库、丰富的测试仪器仪表、完备的分析手段、强大的仿真能力、完美的兼容能力，将虚拟仪器技术的灵活性扩展到了电子设计者的工作平台，弥补了测试与设计功能之间的缺口，缩短了产品的研发周期，强化了电子实验教学。

现在假设要完成电子线路中的桥式整流及电容滤波线路的教学工作，在传统的教学模式中，教学的过程一般是这样进行的，首先由教师先将原理图画在黑板上，或用投影仪投射在屏幕上，再由教师口头分析讲解，然后学生做一点习题加深一下理解，有条件的组织学生做一做实验。这种教学方式多数情况下会出现下列一些问题。

首先电路的特性、工作曲线等十分抽象，学生在学习这些内容时，感到十分困难，很难培养学生的学习兴趣。

其次在实验过程中，通常的方法是将电路图接成面包板、万用板或PC板，然后使用电源、信号发生器、示波器、电表等电子仪器来进行测试。首先，制作电路板的过程既耗时、费力又浪费材料。其次学生实在实验过程中，由于都是第一次做，因此出问题的占大多数，如果出现问题，就得花费相当长的时间，才能弄清是器件本身有误还是制作过程有误，教师常常为解决一些和教学过程无关的困扰而大伤脑筋。最后往往由于上课时间有限，在学生很多问题都还没有得到很好解决情况下，就不得不草草结束，很难达到预期的效果。

再次对于一些原理比较复杂的课题，实物器件成本很高，学生操作过程中元件损坏率非常高，这对于经济相对较落后的地区的学校来讲，这是一笔难以承受的巨大成本支出，在这部分内容的教学过程中要做实验都是不太现实的，最后就只能教师嘴上讲讲就完了，其教学效果可想而知。

现在我们引入仿真技术，首先要求教学场地必须具备多媒体教学设备和学生实验（实习）设备（目前大多数职业技术学校都具备），在教师机与学生机上都装上NI Circuit Design Suit 10软件，有条件可以装上付费的正版软件，无条件可以装上试用版。

教学的第一步：

教师在教师机上操作，通过投影仪将操作过程投射在屏幕上，学生在学生机上跟着教师操作。开启NI Multisim 10软件，先将所需要的元件从元件库中拖到软件的工作界面上，然后就像画图一样按照原理图接好连线，再将要用到的仪表也从元件库中拖到软件的工作界面，接好线，最终结果如图1所示，总共用时不会超过5分钟。

图1 桥式全波整流线路原理及仿真图形界面图

教学的第二步：

让学生自己动手，分别在不同的条件下启动仿真，读取万用表（如图2）、电压表（如图3）和电流表（如图4）的值，并填入表1中，并计算表中相关的值。同时观察不同状态下示波器显示波形，并比较各状态下波形的差异。

表1 桥式全波整流线路仿真数据记录表

仿真测试条件

线路状态 万用表（V）

输入电压 电压表（V）输出电压 电流表（A）

负载电流 输出电压/

输入电压

J1断开、J2闭合、R1=1K 43.983 38.781 0.039 0.904

J1闭合、J2闭合、R1=1K 43.990 60.938 0.061 1.385

J1闭合、J2闭合、R1=100Ω 43.980 58.741 0.587 1.336

J1闭合、J2闭合、R1=10Ω 44.016 47.939 4.794 1.088

教学的第三步：

让学生自己分析讨论所得数据和波形图，回答下面几个问题。

交流电经过桥式整流电路后发生了什么变化，变化的原因是什么？

桥式整流电路加上滤波电容后，对线路的功能有什么影响，为什么？

改变负载电阻的大小，对线路的功能有什么影响，为什么？

（4）在不同状态下，输出电压与输入电压的比值大致在什么范围内变化？

教学的第四步：

由老师归纳总结，给学生们分析线路的工作原理 ，把需要学生掌握的知识要点给学生强调和梳理。

教学的第五步：

调NI Multisim 10软件中的breadboard 功能，原理图中所有的元件都已经放在工作窗口中下方的工作台上，只上将元件拖到虚拟面包板上，就可以进行虚拟接线练习。

教学的第六步：

如果有条件的可以用实物将上述操作过程重新做一次，用真实元件做成真实电路，再用真实仪表去测试相关的数据。然后可以比对仿真结果与实际操作所得结果之间的差异。

从上述教学流程可以看出，引入仿真技术进行教学之后，课堂不再是以教师的口述笔绘为主，而是真正的把课堂还给了学生，学生成了教学活动的主角，整个教学活动主要是以学生在教师引导下的实践、总结、分析、讨论。抽象的电路特性和工作曲线变得具体形象，沉闷的课堂变得生动，学生的动手欲望得到满足，学生的学习热情被充分的调动起来了。有了这样的课堂教学，我相信教学质量的提升是必然的。

时代在变迁，技术在进步，我们的教学工作也应因时俱进，不可墨守成规，要敢于把新的技术手段引入教学活动中，仿真技术就是一项非常值得在教学工作推广的新技术。

参考文献：

[1]清华大学电子学教研组.模拟电子技术基础.高等教育出版社

[2]赵建领.Protel99 SE 设计宝典.电子工业出版社

[3] 刘刚.Multisim & Ultiboard 10.原理图与PCB设计

[4] 王连英.基于Multisim 10 的电子仿真实验与设计划.北京邮电大学出版社