电路实物实验与仿真实验的比较研究

时间:2022-10-24 12:08:30

电路实物实验与仿真实验的比较研究

摘要本文分析了电子电路计算机仿真技术软件EWB的教学特性和教学功能,并以所在学校计算机技术与应用专业学生的电路课程实验教学为研究对象,开展了实物实验方式、仿真实验方式以及实物实验+仿真实验方式的比较研究,得到了实物实验+仿真实验方式是其中提高实验教学质量最佳实验方式的结论。

中图分类号:TN710文献标识码:A

Physical Experiment and Simulation Circuit Comparative Study

CHEN Yuehua, ZHU Ziyi, WAN Fei, KANG Qin, ZHOU Xuelian

(Computer and Information Science School of Southwest University,Chongqing 400715)

AbstractThis paper analyses computer simulation of electronic circuits EWB software features and teaching functions of teaching, and computer technology and application of the school students of the circuit for the study of experimental teaching program, carried out physical experimental methods, simulation methods and physical simulation experiment + Comparison of methods to get the physical simulation experiment + experimental teaching method is one of the best quality to improve the conclusions of several experiments.

Key wordselectronic circuit;computer simulation;EWB;experimental methods

1 实验背景

1.1 电路课程教学的特点

电路课程是电子、通信、计算机技术与应用等许多学科专业的技术基础课程。课程具有概念多、公式多、定量计算多、图形多、宏观现象的微观分析多和实践性强等特点,教与学难度较大。尤其是实验教学对于实验仪器和元器件的要求较高。其教学质量直接影响学生对后续相关专业课程的学习。课程教学流程如图1所示。一般由理论教学、实验教学和课程设计等环节构成。实验教学流程如图2所示。

图1电路课教学流程图2电路实验教学流程

实物实验主要有以下不足:(1)教学形式、方法与内容的固定。由于受教师、课时、场地、设备、元器件等教学资源的限制,实物实验通常有四定:定时间、定地点、定内容、定人员。学生无论能力大小都按同一个步调做着相同的实验内容,很少有独立思考的时间。教师对学生的指导也多表现为帮助完成实验。而要实现学生的全面发展,必须立足于个体差异,因材施教。

(2)教学准备工作量大。实验教学中,器材的准备工作量很大,实验中对元器件的消耗大,仪器设备更新换代周期长。这些也是影响设计性实验开设的主要原因。

1.2 EWB仿真实验的特点

EWB(electronics workbench电子工作平台)电子电路仿真软件与其他类似软件(ORCAD、PROTEL)相比,它最大的特点是采用图形操作界面模拟一个电子实验台,且仿真实验仪器操作界面与实物仪器相差无几,所有仿真仪器都是数字化、智能化的。安装了EWB的电脑就相当于拥有一个功能强大、设备齐全、元器件丰富的小型“电子电路实验室”。EWB具体特点如下:

(1)界面直观,易学易用。电子元器件和实验仪器均可直接从屏幕上选取。实验仪器面板、操作开关同实物仪器相差无几。提供了数量不限的数字万用表、示波器、函数信号发生器等十多种仿真实验仪器。电子元器件、电源、接地等符号都是通用标准符号。EWB7.0以上版本更是采用了3D技术,使实验环境更加逼真。

(2)电子元器件丰富,仿真功能强大。提供了具有标准通用符号的上万种电子元器件,元件参数可实时更改,同时具有模拟元器件开路、短路、漏电等故障的功能;EWB还提供了直流分析、交流分析、温度分析、噪声分析等多种电路性能分析功能;具有强大的在线联机帮助功能,可以随时了解所用电子元器件、实验仪器的性能指标;可在线升级元器件库、仪器库。这些都大大地拓展了实验研究的内容深度与广度。

(3)实验效率和精度高、无消耗。基于EWB的仿真实验排除了实验中的次要因素,如:电子元器件参数的分散性,电路连接不良,电子元器件、实验仪器故障,温度、湿度等环境因素影响,因此实验效率高、精度高、成功率高,且无元器件、实验仪器的消耗。

(4)文件容量小。实验电路、数据、波形和实验描述等可以EWB格式文件打包保存,携带、传输方便,并可在EWB平台上直接运行,大大提高了教师批改实验报告的效率,实现了无纸化实验报告。同时由于EWB可上网运行,为远程合作实验研究提供了条件,突破了时间和空间的限制。

基于EWB仿真实验具有如此多的优势,那么它是否能代替传统的实物实验教学?实物实验与仿真实验结合是否能取得更好的实验教学效果?这些都是我们探究的问题。

2 实验介绍

(1)实验对象:我校计算机与信息科学学院计算机技术与应用专业2008级三个班级,各55名学生。

(2)实验目的:通过对实物实验方式、仿真实验方式以及实物实验+仿真实验方式这三种实验方式的比较研究,探究三种实验方式中提高电子电路课程实验教学质量的最佳实验教学方式。

(3)实验时间:

2008.3~2008.7相关内容最新研究情况的调查和资料收集,确定实践教学环节及各环节的实践教学内容。

2008.9~2009.7设计具体实验项目并进行实验研究,并在研究中不断充实、完善。

2009.8~2010.2整理、分析实验数据,完成研究论文。

3 实验过程

3.1 实验条件

为保证实验数据的可信度,除实验形式不同之外,其它变量(理论课教材、实验课教材、实验内容、实验时间、实验设备完好率等)保持一致。参与实验学生为学院08级计算机技术与应用专业1、2、3班的各55名新生。由于学生为同一专业新生,其理论与实验技术基础基本相同。三个班的实验教师为同一人,理论课教师虽有不同,但教学年限、经验和水平基本处在同一水平。

表1实验分组情况

3.2 实验分组

实验分组如表1所示。每组实行一种实验方式,实验内容各组都相同。实物实验两人一组,EWB仿真实验一人一组。

3.3 实验内容

我们选取了三个实验项目来对三组学生做对比研究。选取的实验项目既符合学生的认知水平,又要达到教学预期的目标。实验项目是:(1)基尔霍夫定律和叠加原理。(2)戴维南定理及功率传输最大条件的研究。(3)受控源特性的研究。

对参与实验的学生通过实验教师的讲解,要求做到:实验目的、实验要求、实验内容明确,了解和掌握实验设备的基本功能和使用。

3.4 时间分配

每个实验3 课时,3个实验共计9课时。仿真实验组和实物实验组每个实验按3个课时完成。实物实验+仿真实验组则需在3个课时内既完成实物实验,又完成仿真实验。其中,实物实验与仿真实验所占用的时间比例由学生根据自己的实验情况决定。

3.5 实验考试

完成3个实验项目后,对三组不同实验方式学生进行了实物实验的操作考试,获得不同组别(实验用时、实验结果正确率等)实验数据。为了保证结果的准确性、有效性,考虑实验室的条件,随机从三个班各抽取20人参加实物实验操作考试。考试时安排多名教师巡考,对每位学生完成实验的时间、完成质量等进行详细记录。三组考查题目是:基尔霍夫定律和叠加原理。考查中涉及电源使用、万用表的使用、电路连接、数据的正确读取与处理等内容,具体如表2所示。

3.6 实验数据分析

通过SPSS分析得出三组的平均成绩(Mean列的值)如表3所示。

表 3各组平均总成绩的简单描述统计量结果

由表3可以得出,第1组平均成绩高于第2组。前两组的平均成绩显著高于第3组。

为了进一步分析第1组和第2组的差异是否显著,对第1组和第2组进行独立样本t检验。表中的方差其次性检验(Levene’s Testfor Equality of Variances)结果中,显著性概率P(即:表4中的Sig.)=0.933>0.05,表明两个样本的方差差异不显著,即符合方差其次性检验的假设:两个独立样本的方差相等。因此在后面的t检验中应选择Equalvariances assumed一行的结果。另一行是方差不相等时t检验的结果。因此t=0.594,Sig.(2-tailed)是双尾t检验的显著性概率,本文其概率为0.555>0.05,差值的95%置信区间(95%Confidence Interval of the Difference)在-10.185-18.612之间,包括0,这两个数据都表明两组均值之差有显著差异。

对第2组和第3组的成绩也进行独立样本t检验,其结果如表5所示:

表中的方差其次性检验(Levene’s Testfor Equality of Variances)结果中,显著性概率P(即:表5中的Sig.)=0.337>0.05,表明两个样本的方差差异不显著,即符合方差其次性检验的假设:两个独立样本的方差相等。因此在后面的t检验中应选择Equalvariances assumed一行的结果。即:t=4.263,Sig.(2-tailed)概率为0.000

由实验数据得到结论:第1组 “实物+仿真”组的总体成绩好于第2组“实物”组的总体成绩,而这两组的成绩都显著好于第3组“仿真”组。

同时,我们对各小组的两道题各自的得分进行分析,他们各自的平均分如表6所示。从该表可以看出,尽管三个组的总成绩存在较大差异,但每组的第一题平均得分都显著高于第二题。原因是两道题的难度相差较大(第一题是基础题,按照步骤操作即可,第二题则需要灵活变通,更体现学生举一反三的能力)。进一步分析每道题的最高分可以发现,各小组在第一题上面最高分上相差较小,分别为:50分、50分、45分,表明各组在选择所需电源值、正确接入电源和搭接基本电路等方面都较熟练。而第二题中,最高分相差显著,分别为:50分、20分、0分。其中第3组“仿真”组在第二题的得分全部为0分。由于仿真实验组对实物元件和实验台的不熟悉,使得对稍加变化的实验电路,基本不能进行实验,更不能灵活变通。

表 6各组两道题的平均得分的简单描述统计量结果

从三个实验组的分数折线图可以清楚的看出,第一组在第二组、第三组的上方,而第三组在最下方。从不同实验考核项目得分情况分析,第一题的第一项、第二项由于实验项目比较简单三个组的差距不大,第一题的第三项、第二题的第一项、第五项实验项目要求比较高,三个小组的差距明显。实验结果符合预期。

图 3三个小组的实验分数折线图

通过对实验数据的SPSS数据分析,并结合对各实验组学生的随机访谈,我们得出以下结论:

(1)仿真实验方式的优势与不足:优势主要有:仿真元器件、实验仪器丰富,实验精度高、效率高,无消耗,能够最大限度地发挥学生自主探索学习的潜力,尤其是对基本理论和实验原理的学习。其不足是实验的真实感不够,实验结果近以理想,而实物实验会遇到许多意想不到的情况,存在思维的盲点。显然,仿真实验不能替代实物实验。

(2)实物实验方式优势和不足:优势主要有:真实、实验中随机出现的问题,对于培养学生的分析和解决实际问题的能力,对于学生养成严肃认真、严谨求实的学习和钻研态度有着不可替代的作用。其不足在于,实验受时间、地点、元器件、实验仪器等客观条件限制。

(3)实物实验方式与仿真实验方式相结合的实验方式:实物实验方式与仿真实验方式二者的结合,既给予了学生很好练习的自由探索学习的环境,又保证了学生对实物实验的感知能力。既发挥实物实验和仿真实验二者的优势,又克服了二者的不足,是一种提高电路课程实验教学质量更有效的实验方式。

4 教学建议

(1)实物实验之前,先进行仿真实验,掌握实验的基本原理、主要步骤和关键环节,模拟实物实验中常见的故障,使学生实物实验中遇到类似故障,可更有效的解决,从而提高实验效率。

(2)整个实验中,实物实验应占实验教学的主体部分,仿真实验应作为实物实验的“预热”、“补充”和模拟训练的辅助过程,最终目的是培养学生的实物实验能力。

(3)在实验内容上,仿真实验做哪些,实物实验做哪些、他们的交集是哪些,时间如何分配等,教师都应根据实验项目的教学目标、要求和具体内容来加以确定,以达到教学最优化为目的。

5 结束语

计算机仿真技术的飞速发展,以及在电子电路实验教学中的广泛应用,为改革电子电路实验课程教学创造了很好的条件。如何使实物实验与仿真实验有机结合,做到扬长避短,优势互补,以促进电路实验教学质量的不断提高,是值得不断研究的课题。

西南大学教学改革支持项目。项目编号:104250――20710107

参考文献

[1]陈跃华,蕾菡.基于仿真技术的电子电路课堂教学方法探讨[J].教育技术研究,2004(6).

[2]陈跃华,谢利东.电子电路计算机辅助教学与其仿真教学的比较研究[J].中山大学学报论丛,2004(6).

[3]陈跃华.改革电子电路实验教学的实践与研究[J].实验技术与管理,2006(7).

[4]张克明.EWB仿真系统对电子技术课程教学改革的探讨[J].中国科技创新导刊,2007(总467期).

[5]陈跃华,杜明茜,向启荣.基于计算机仿真技术的电子电路探究性学习[J].实验室研究与探索,2007(9).

[6]潘海鹏,雷美珍,夏永明,顾敏明.“电力电子技术”课程实验教学改革与探索[J].合肥工业大学学报(社会科学版),2010(2).

上一篇:浅议新课程背景下的激励教育 下一篇:浅论德育教育在语文教学中的一体两面