張文強(qiáng) 包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古軌道交通研究所
關(guān)鍵字:Proteus 電工電子實(shí)驗(yàn) 虛擬仿真
《電工電子基礎(chǔ)》是我院各專業(yè)實(shí)踐性較強(qiáng)的程課之一,對(duì)于培養(yǎng)高職學(xué)生電路應(yīng)用分析能力、融合能力以及動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力具有重要作用。該課程涵蓋基本電路分析、直交流電、電動(dòng)機(jī)、模擬電路和數(shù)字電路等內(nèi)容,涉及知識(shí)點(diǎn)多、難度大,因此需要通過大量的實(shí)驗(yàn)來理解、掌握和應(yīng)用。而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在時(shí)間安排不合理、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和設(shè)備資源缺乏、學(xué)生參與度不高等問題,理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作脫離,難以達(dá)預(yù)期的教學(xué)效果和要求。為了更好解決上述問題,將 Proteus 虛擬仿真平臺(tái)引入到電工電子的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),改變?cè)械慕虒W(xué)模式,使原來乏味的實(shí)驗(yàn)課變得生動(dòng)起來,以達(dá)到更好地掌握理論知識(shí)和提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的目的。
Proteus 軟件是英國Lab Center Electronics 公司開發(fā)的一款 EDA 仿真軟件,該仿真軟件包含Schematic Capture、PCB Layout、VSM Studio IED 等模塊,配備有主流單片機(jī)編譯仿真、電路仿真和PCB 設(shè)計(jì)等功能。該軟件提供了極多的數(shù)模元件,可用于各種模擬數(shù)字電路的搭建,還包含多種虛擬儀器,如示波器、信號(hào)發(fā)生器及計(jì)數(shù)/定時(shí)器等,可直接用于模數(shù)電路的測(cè)試和輸出。
作為基本的電學(xué)定律——基爾霍夫定律是分析多源電路中電流、電壓和電阻關(guān)系的常用方法?;鶢柣舴蚨傻尿?yàn)證實(shí)驗(yàn)是電工電子實(shí)驗(yàn)課程中一個(gè)重點(diǎn)難點(diǎn)實(shí)驗(yàn),對(duì)于學(xué)生掌握基爾霍夫電流電壓定律、分析電路特點(diǎn)和計(jì)算電位大小等具有重要意義。
在進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)前,要求學(xué)生按照《 Proteus 仿真電工電子實(shí)驗(yàn)任務(wù)書》要求,熟悉 Proteus 仿真軟件的基本操作和基爾霍夫定律的相關(guān)內(nèi)容,在教師的指導(dǎo)下,學(xué)生利用 Proteus 軟件完成基爾霍夫定律的驗(yàn)證仿真電路的搭建,要求元器件參數(shù)如圖1 所示。三個(gè)支路中分別串入三個(gè)電流表,用于顯示各支路中的電流值,在每個(gè)元器件(電阻)并上數(shù)顯電壓表,回路中各段電壓也一目了然。
圖1 基爾霍夫電壓驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理圖
圖2 基爾霍夫電流驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理圖
分析驗(yàn)證基爾霍夫電壓定律:假定回路繞行方向?yàn)轫槙r(shí)針,此時(shí)回路1 中的電壓代數(shù)和U1+U2-8=0,可得出結(jié)論:在任一瞬時(shí),沿任一閉合回路繞行一周,回路中各支路電壓的代數(shù)和恒等于零,如圖1所示。
分析驗(yàn)證基爾霍夫電流定律:假定流入節(jié)點(diǎn)B 處的電流為正,流出節(jié)點(diǎn)B 處的電流為負(fù),此時(shí)B 節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和I1+I2-I3=0;可得出結(jié)論:在任一瞬時(shí),通過電路中任一節(jié)點(diǎn)的各支路電流的代數(shù)和恒等于零,如圖2 所示。
以上內(nèi)容,很好地驗(yàn)證了基爾霍夫定律的正確性。為了更好的驗(yàn)證基爾霍夫定律的可靠性,要求學(xué)生改變電壓源的數(shù)值、方向和電阻阻值,重新測(cè)量計(jì)算后,學(xué)生會(huì)得出相同的結(jié)論。
在完全理解定律的基礎(chǔ)上,在仿真電路中人為的設(shè)定一些故障,例如短路、開路等,通過測(cè)量電壓值、電流值,計(jì)算分析故障原因,提高學(xué)生分析復(fù)雜電路的能力,融會(huì)貫通,為學(xué)生后期專業(yè)課學(xué)習(xí)、技能鑒定、技能大賽和現(xiàn)場(chǎng)工作打下扎實(shí)基礎(chǔ)。此外,學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)分析,理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作相統(tǒng)一,改變教師傳統(tǒng)教學(xué)模式,提高了課程的趣味性和學(xué)生的積極性,使學(xué)生在實(shí)踐過程中獲得成就感。
由上述典型實(shí)驗(yàn)案例可以得出,將 Proteus 仿真技術(shù)融入到電工電子實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)手段的不足,最大限度地拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間,進(jìn)一步完善了“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)改革模式,豐富了電工電子課堂教學(xué)的內(nèi)容和形式,實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合的層層深入和良好融合,激勵(lì)學(xué)生由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí),經(jīng)課堂實(shí)踐驗(yàn)證,效果良好。