【摘要】針對電路分析與設(shè)計(jì)難教難學(xué)的現(xiàn)狀，提出理實(shí)一體、虛實(shí)融合的教學(xué)思想，并在助推漸進(jìn)式的教學(xué)模式中有效落實(shí)。應(yīng)用先進(jìn)的PROTEUS仿真軟件進(jìn)行電路的前期設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試，理論與實(shí)踐一體，解決做什么、怎么做、為什么，再以此經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)物制作與測試，虛實(shí)融合有效提高學(xué)習(xí)效率，提高學(xué)生的電路分析、設(shè)計(jì)能力。

【關(guān)鍵詞】理實(shí)一體 ?虛實(shí)融合 ?電路設(shè)計(jì) ?助推漸進(jìn)式 ?教學(xué)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

【基金項(xiàng)目】1.2015年度高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目和課堂教學(xué)改革項(xiàng)目，（項(xiàng)目編號： kg2015799）;2.2015年度省教育技術(shù)研究規(guī)劃課題，（項(xiàng)目編號： JB103）。

【中圖分類號】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）35-0208-03

電子電路的分析、設(shè)計(jì)制作課程是數(shù)電、模電的后繼課程，定位為數(shù)模電綜合應(yīng)用能力提升，是電類專業(yè)學(xué)生的一項(xiàng)基礎(chǔ)必備能力，也是應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)的核心能力。師生普遍感覺電子電路難教、難學(xué)。分析原因主要有：

（1）元件認(rèn)知等基本知識(shí)缺乏，知識(shí)零散。

（2）喜歡操作，邏輯思維能力較欠缺。

（3）教學(xué)內(nèi)容、方法對學(xué)生引導(dǎo)、興趣激發(fā)不夠強(qiáng)。

（4）檢測技能欠缺，檢測方法缺乏規(guī)范系統(tǒng)性的訓(xùn)練，在實(shí)物實(shí)踐性極強(qiáng)的課程中作品制作耗時(shí)大，尤其在理論薄弱的情況下作品調(diào)試測試舉步維艱，推進(jìn)緩慢。

針對這一普遍問題，將仿真技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中。在助推漸進(jìn)式的教學(xué)過程中充分利用仿真軟件的“繪我所想，所見即所得”的可視化特點(diǎn)，激發(fā)興趣，接著進(jìn)行電路制作前的仿真設(shè)計(jì)與調(diào)試，理論與實(shí)踐一體，在做中學(xué)，掌握知識(shí)與科學(xué)的方法，解決做什么、怎么做、為什么，最后以仿真實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)規(guī)范地制作實(shí)物、不斷調(diào)試修正直到成功！虛實(shí)融合，仿真在實(shí)物完成中落地有聲，有效提升學(xué)生的電路分析、設(shè)計(jì)能力。

1.選擇PROTEUS仿真軟件作為教學(xué)平臺(tái)

1.1理論、實(shí)驗(yàn)、仿真是科學(xué)的學(xué)習(xí)內(nèi)容、方法[1]

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。仿真技術(shù)“成為認(rèn)識(shí)客觀世界的除理論、實(shí)驗(yàn)之外的第三種方法”（王子才院士）?！翱茖W(xué)還包含第3個(gè)方面的內(nèi)容，即計(jì)算機(jī)仿真，并由計(jì)算機(jī)仿真將理論和實(shí)驗(yàn)兩方面連接起來?！保绹皣铱茖W(xué)基金會(huì)主任Rita Colwell）。仿真技術(shù)已有半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷史，促進(jìn)了科技、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等的發(fā)展。例天氣預(yù)報(bào)、核爆炸、航空航天業(yè)、橋梁工程等的仿真研究、VR眼鏡等。

1.2選擇PROTEUS進(jìn)行電路分析與仿真[2-5]

將仿真技術(shù)作為內(nèi)容和方法手段融入教學(xué)（仿真教學(xué)）也是教學(xué)發(fā)展的必須途徑，當(dāng)下火熱的信息化教育教學(xué)建設(shè)，正是校、政、企、行共同推動(dòng)的結(jié)果。如中國教育技術(shù)協(xié)會(huì)仿真技術(shù)專業(yè)委員會(huì)于2013年成立“電子信息類仿真研究會(huì)”，旨在強(qiáng)力助推電信類課程建設(shè)。

在國內(nèi)外的電子課程中都有不同程度的應(yīng)用仿真技術(shù)。如劍橋等大學(xué)以PROTEUS仿真平臺(tái)作為電子設(shè)計(jì)教學(xué)與考核的載體與工具。國內(nèi)電路類課程教學(xué)主要用MULTISIM，PRORTEUS與MULTISIM都是源自SPICE3F5同一仿真內(nèi)核，但PRORTEUS顯示直觀、交互便捷的特點(diǎn)明顯優(yōu)于MULTISIM，更適合善于形象思維的高職學(xué)生。

2.實(shí)用項(xiàng)目、可視化講解激發(fā)興趣

2.1選擇日常實(shí)用的電路

學(xué)用結(jié)合，以實(shí)用的價(jià)值抓住高職學(xué)生。所以選擇日常實(shí)用電路，如定時(shí)開關(guān)電路（如樓梯或衛(wèi)生間的燈）、光控開關(guān)和報(bào)警電路、消防車聲音報(bào)警電路、售票或超市門禁等身高范圍檢測電路、三極管β值分選電路、電子脈搏計(jì)電路、順序控制電路、溫度控制電路、紅外水龍頭控制電路、數(shù)控步進(jìn)電機(jī)（如繞線機(jī)）、可燒性氣體報(bào)警電路（如賓館內(nèi)）等。

2.2 看視頻、明目標(biāo)、增信心

看電路實(shí)物作品運(yùn)行視頻，視聽結(jié)合，感受更真實(shí)，更易激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，如暗動(dòng)報(bào)警，手一遮擋光敏電阻，便發(fā)聲警示;如雙音報(bào)警電路確實(shí)能發(fā)出像消防車的聲音;再如可燃性氣體報(bào)警器，運(yùn)行過程很清楚，先上電預(yù)熱，黃燈亮，綠燈表示正常，預(yù)熱后黃燈滅;檢測到危險(xiǎn)氣體時(shí)紅燈亮，并發(fā)聲報(bào)警！同時(shí)傳遞“看得清，做得到，行得通”榜樣力量以增強(qiáng)學(xué)習(xí)信心。

2.3仿真分析知原理，挖掘知識(shí)深度

以圖1振鈴音響電路為例。

圖1 振鈴音響電路原理圖

三級CMOS反相器構(gòu)成的多諧振蕩電路級聯(lián)形成間隔性的蛐蛐蛐蛐——蛐蛐蛐蛐的音響電路。第一級如圖1中虛線框內(nèi)，為超低頻振蕩器，決定第二級（U1：C、U1：D）的低頻振蕩間隔時(shí)長，第二級決定發(fā)聲緩急，第三級決定發(fā)何種音的音頻。借助虛擬示波器很容易理解三級振蕩的控制關(guān)系，如圖2所示，還可觀測信號周期，即可觀形更可測精確值！調(diào)整C1、R2則改變每段蛐—蛐聲的間隔;調(diào)整C2、R5改變發(fā)聲緩急;調(diào)整C3、R7改變聲音。結(jié)合仿真波形和二極管單向?qū)ㄣQ位作用，使第二級在第一級輸出高電平時(shí)振蕩，第三級在第二級高電平時(shí)振蕩。若二極管反接，則后一級在前一級低電平期間振蕩。再做進(jìn)一步挖掘，若D1、D2中只保留一個(gè)會(huì)怎樣？D1、D2都去掉會(huì)怎樣？并做出合理解釋！帶著問題進(jìn)行下一步的仿真實(shí)踐！

圖2 用虛擬示波器觀測振鈴音響電路的信號波形

3.助推漸進(jìn)式的教學(xué)模式

由于高職學(xué)生基礎(chǔ)及學(xué)習(xí)習(xí)慣特點(diǎn)，在漸進(jìn)式教學(xué)進(jìn)程中老師的助推是有效教學(xué)的保證！如圖3所示，在課堂上進(jìn)行三段助推。

圖3 助推漸進(jìn)式教學(xué)主線示意圖

以觸摸延時(shí)開關(guān)電路為例，首先是課題簡介，接著播放實(shí)際電路的運(yùn)行視頻，手一摸燈就亮，維持約30秒。劃分電路功能模塊，按信號流向設(shè)計(jì)出電路框圖，如圖4上部，明確做什么！接下來進(jìn)行電路仿真演示并適當(dāng)?shù)胤治?、講解。

圖4 觸摸開關(guān)的控制框圖及在各狀態(tài)下電流流向示意圖

3.1“看電流流向”初步分析電路

借助PROTEUS的電流探針，看電路工作狀態(tài)，初步理解電路工作原理。如圖4左側(cè)未觸摸時(shí)Q2、Q3中無電流;當(dāng)觸摸的瞬間，Q1放大電流使Q2迅速飽和同時(shí)通過R2對C1充電，Q3也導(dǎo)通LED得電發(fā)光;手松開， Q2截止，C1通過R2、R3-Q3放電，流過LED的電流慢慢下降，燈漸滅。

3.2捕捉、分析電壓軌跡，理解電路原理

在圖4 中標(biāo)出5個(gè)結(jié)點(diǎn)，A、B、C、D、E，它們的結(jié)點(diǎn)電壓表示為Va～Ve。如圖5應(yīng)用PROTEUS圖表仿真功能進(jìn)行電壓變化分析。末觸摸時(shí)Va電平約0.6V，LED的陽極Ve也是0;而電容陰極C結(jié)點(diǎn)、Q3的基極D結(jié)點(diǎn)狀態(tài)相當(dāng)于電源引線開路，故此時(shí)Vc=Vd=Vcc=5V。一觸摸，三個(gè)三極管相繼迅速導(dǎo)通，Va≈1.5V， Q1放大電流使Q2極速飽和，Q3導(dǎo)通當(dāng)開關(guān)用，其基級電平基本維持在4.3V，Q2的c極電平迅速降低接近0，同時(shí)電容C1快速充電，充電結(jié)束時(shí)LED陽極電平Ve≈4.4V，手一松開，放電開始，Q1截止，Va接近0V，C結(jié)點(diǎn)電平Vc隨放電抬升，Q3趨向截止，LED陽極電平Ve則緩降。Ve小于LED閾值時(shí)截止無電流。也可通過電流探針觀測各支路的電流。

圖5 用PROTEUS交互圖表進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)電壓分析

通過以上仿真分析，電路瞬態(tài)及不可見的電壓電流的漸變過程非常明了。很容易理解電容這一儲(chǔ)能元件因?yàn)榉烹姸纬傻臒袅裂訒r(shí)的效果;理解了三極管的開關(guān)，放大，截止三種工作狀態(tài)。

3.3仿真實(shí)踐，“三導(dǎo)”助學(xué)，促進(jìn)師生發(fā)展

接下來每個(gè)學(xué)生進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)、調(diào)試與測試實(shí)踐，鼓勵(lì)同學(xué)相互討論交流學(xué)習(xí)，教師在學(xué)生中間走動(dòng)，實(shí)施三導(dǎo)教學(xué)，即“方法引導(dǎo)”、“實(shí)踐行動(dòng)督導(dǎo)”、“及時(shí)指導(dǎo)”。紙上得來終覺淺，親自實(shí)踐才是硬道理。學(xué)生在PROTEUS仿真平臺(tái)上將自己的思想通過電路繪制表達(dá)出來，接著進(jìn)行仿真測試并判斷正誤，根據(jù)公式τ≈RC計(jì)算充放電時(shí)長，觀測LED亮多少秒？修改電容值為470μF或R2、R3的值，觀測LED燈亮?xí)r長，進(jìn)一步理解充放電過程及其時(shí)間的決定因素！不斷修改測試直到成功。在這樣的想、繪、測、判、改循環(huán)操練中，理性思維與理性的實(shí)踐密切配合，即掌握了設(shè)計(jì)工具的應(yīng)用，也通過仿真測試、判斷，加深理解了電路原理，深入理解理論又促使設(shè)計(jì)實(shí)踐少走彎路，提高學(xué)習(xí)效率。邊動(dòng)手邊動(dòng)腦的學(xué)做一體反復(fù)訓(xùn)練下，學(xué)生清楚自己在做什么，也逐漸明白為什么這樣設(shè)計(jì)！一點(diǎn)點(diǎn)積累成功經(jīng)驗(yàn)，體驗(yàn)收獲的喜悅，學(xué)習(xí)信心一步步加強(qiáng)，學(xué)習(xí)興趣也就在不自覺中建立起來，能利用仿真平臺(tái)進(jìn)行自主探索學(xué)習(xí)，獲得更大的學(xué)習(xí)自由性和發(fā)揮空間。老師也逐漸得到解放，關(guān)注前沿、改革教學(xué)，形成良好的教與學(xué)相長。

3.4進(jìn)階設(shè)計(jì)，訓(xùn)練創(chuàng)新思維與能力

想一想，改一改，測一測，可能有新發(fā)現(xiàn)！

（1）R4的作用是什么？修改阻值觀測LED電流進(jìn)行分析。（2）電源在5V和12V時(shí)的電路狀態(tài)有何差異？（3）在Q3的集電極增加一電平指示電路（用LM3914搭建），更直觀地觀測放電時(shí)輸出電平漸小過程。（4）試自行查資料分析觸摸延時(shí)照明電路。

4.實(shí)物作品制作與調(diào)試

仿真成功后再進(jìn)行實(shí)物制作，學(xué)生實(shí)踐目標(biāo)非常明確，實(shí)物評測方法與標(biāo)準(zhǔn)也已在仿真時(shí)完成訓(xùn)練，所以成功率一般在90%以上。虛與實(shí)的結(jié)合使高效的仿真學(xué)習(xí)在實(shí)物實(shí)現(xiàn)中安全著陸。平時(shí)以仿真訓(xùn)練為主，可適當(dāng)安排約5次實(shí)物制作訓(xùn)練，一人一作品。期末為綜合作品仿真設(shè)計(jì)與制作。

首先自行負(fù)責(zé)領(lǐng)元件。老師預(yù)先將元件分類放置，學(xué)生按自己的電路元件清單自認(rèn)自領(lǐng)，自測好壞。其次電路布局、焊接：布局沿電流方向;接線規(guī)矩：電源、地線分別為紅、黃色，其它連線用別的顏色導(dǎo)線;元件面盡量少走線;焊接面直線整潔清晰;需操作元件方位要便于操作。接著測試：（1）上電前進(jìn)行通、斷檢查;（2）電路無誤后通電，觀測現(xiàn)象，并記錄燈亮?xí)r長，做好如表1所示的報(bào)告;（3）可接入示波器觀測充放電過程;（4）處理實(shí)物調(diào)試中的問題，并做好記錄。最后答辯展示交流！

表1 觸摸延時(shí)開關(guān)電路設(shè)計(jì)與制作報(bào)告

5.結(jié)論

仿真是科學(xué)先進(jìn)的學(xué)習(xí)方法與手段！將實(shí)用電路項(xiàng)目、仿真實(shí)踐、作品制作有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行“理實(shí)一體、虛實(shí)融合”的教學(xué)改革研究與實(shí)踐有效地提高了學(xué)生的理論與實(shí)踐技能，培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ虘B(tài)度和科學(xué)的學(xué)習(xí)方法。也為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供了較好的平臺(tái)條件。

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作者簡介：

周靈彬（1978-），女，甘肅人，副教授，碩士。主要研究方向：智能控制。