(福建船政交通職業(yè)學(xué)院信息工程系,福建 福州 350007)
《電工電子技術(shù)》課程是福建船政交通職業(yè)學(xué)院電子信息工程技術(shù)專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,70 學(xué)時(shí),是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)平臺(tái)課。為了支撐后續(xù)專業(yè)課程,如“微機(jī)原理與接口技術(shù)”“單片機(jī)原理及應(yīng)用”“LED 原理及應(yīng)用”“顯示技術(shù)”等的學(xué)習(xí),教學(xué)內(nèi)容涵蓋三大部分:電工電路、模擬電路、數(shù)字電路,具體分為9 大模塊:直流電路、電路暫態(tài)分析、正弦交流電路、三相交流電路、半導(dǎo)體二極管和三極管、基本放大電路與集成運(yùn)算放大電路、直流電源、門電路和組合邏輯電路、觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路。課程內(nèi)容涉及的理論知識(shí)較多并且比較難,學(xué)生反映不好掌握。
現(xiàn)在高職院校學(xué)生生源普遍多樣化。中職生源學(xué)生數(shù)理化方面的知識(shí)較薄弱,對(duì)學(xué)好這門課程的理論部分缺乏自信心;普通高中生源學(xué)生因沒實(shí)際接觸過電子元件,對(duì)實(shí)踐部分無從下手,容易產(chǎn)生逃避心理。原有的傳統(tǒng)教學(xué)模式,希望在有限的課堂時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生掌握更多知識(shí),會(huì)按照教材進(jìn)行大量的理論知識(shí)講解,中職生源學(xué)生對(duì)部分較難理解的理論知識(shí)囫圇吞棗,日積月累,慢慢地失去學(xué)習(xí)興趣,最終自我放棄、消極對(duì)待。普高生源學(xué)生一遇到實(shí)驗(yàn),看到一堆電子元器件,不知所措,實(shí)驗(yàn)成功率較低,礙于面子,慢慢地能躲則躲,越來越被動(dòng)。若能找到一種教學(xué)方法改正兩種生源學(xué)生各自的學(xué)習(xí)弱點(diǎn),合理引導(dǎo)他們?cè)趯W(xué)習(xí)中互為補(bǔ)充、相互配合,發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn),定能提高教學(xué)效果。
目前,大部分教師還是利用課程教材相關(guān)教學(xué)PPT 文件按傳統(tǒng)模式進(jìn)行教學(xué)。傳統(tǒng)教學(xué)模式主要以教師為中心學(xué)生被動(dòng)接受,該模式的優(yōu)點(diǎn)是有利于教師發(fā)揮主導(dǎo)作用,有利于教師對(duì)課堂教學(xué)的組織、管理與控制,有利于理論知識(shí)的高強(qiáng)度集中傳授。[1]但它往往忽略了學(xué)生的主動(dòng)創(chuàng)造性和主體認(rèn)知作用,限制學(xué)生發(fā)揮想象力,特別是一些微觀世界現(xiàn)象或內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜的理論知識(shí),學(xué)生在原有知識(shí)的基礎(chǔ)上難以建構(gòu)新的知識(shí)。電工電子技術(shù)是一門理論指導(dǎo)實(shí)踐,在實(shí)踐中進(jìn)一步理解理論的課程,理論與實(shí)踐并重,但從高職教育的特點(diǎn)以及就業(yè)導(dǎo)向考慮,重在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。但實(shí)際教學(xué)中由于學(xué)生理論知識(shí)不扎實(shí),又受到學(xué)時(shí)與實(shí)驗(yàn)場地限制,實(shí)驗(yàn)無法開展太多,并且多數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是根據(jù)已知原理圖搭建實(shí)物圖進(jìn)行理論知識(shí)驗(yàn)證,往往造成學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)只是簡單的電路接線和結(jié)果測試。比如在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,考核學(xué)生各電子元件在搭建的實(shí)物電路板中的功能或如何快速判斷電路搭錯(cuò)范圍時(shí),學(xué)生無法運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解析,往往拖長排錯(cuò)時(shí)間。因此傳統(tǒng)教學(xué)模式不完全適于高職院校電工電子技術(shù)課程教學(xué),無法培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力與解決實(shí)際問題的創(chuàng)新能力,應(yīng)該對(duì)原有的教學(xué)方法進(jìn)行改革。
EDA 是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation)的縮寫,它以計(jì)算機(jī)為工具,設(shè)計(jì)者通過EDA 軟件平臺(tái),完成各類電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真、直至特定目標(biāo)芯片的設(shè)計(jì)。[2]在教學(xué)中引入EDA 技術(shù)是使用EDA 的軟件平臺(tái),如Multisim,Proteus 進(jìn)行教學(xué)仿真。仿真教學(xué)也稱為模擬教學(xué),就是用計(jì)算機(jī)來模擬真實(shí)自然現(xiàn)象或社會(huì)現(xiàn)象,[3]是一種將理論與實(shí)踐相結(jié)合的新教學(xué)手段。它與傳統(tǒng)的現(xiàn)場教學(xué)法有異曲同工之處?,F(xiàn)場教學(xué)法是直接在實(shí)習(xí)基地和模擬現(xiàn)場進(jìn)行教學(xué),邊講邊做。這種教學(xué)方法的好處是直觀性強(qiáng),可把所學(xué)知識(shí)馬上付諸于實(shí)踐。[4]但在實(shí)際應(yīng)用中,由于搭建電工電子技術(shù)所需的實(shí)習(xí)基地或模擬現(xiàn)場需要大場地和大量實(shí)驗(yàn)設(shè)備,所需成本較高,此教學(xué)方法不容易實(shí)現(xiàn)。再者,目前計(jì)算機(jī)技術(shù)與多媒體技術(shù)的高速發(fā)展,人類知識(shí)以文字、圖形、圖像、動(dòng)畫、音頻、視頻等多種形式呈現(xiàn)并傳播,人類可以發(fā)揮不同感觀獲取知識(shí)。據(jù)教育學(xué)家研究表明,人類接受知識(shí)主要是靠視覺和聽覺,就其比例來說,視覺占83%,聽覺占11%,味覺占1%。[5]在記憶方面,只聽不看的,三天后留下的印象是15%;邊聽邊看的,三天后留下的印象是75%。[6]因此,在電工電子技術(shù)課程教學(xué)過程中如果能把理論知識(shí)以圖形圖像或動(dòng)畫視頻方式呈現(xiàn),學(xué)生邊聽邊看,就能夠得到更好的學(xué)習(xí)效果。仿真教學(xué)法通過仿真不僅能為學(xué)生提供近似真實(shí)的訓(xùn)練環(huán)境,[7]又能呈現(xiàn)事物動(dòng)態(tài)變化過程,因此,在很大程度上能彌補(bǔ)客觀實(shí)驗(yàn)條件的不足,是傳統(tǒng)教學(xué)方法的有利補(bǔ)充。
NI Multisim 軟件是美國國家儀器有限公司(NI)推出的基于Windows 平臺(tái)的仿真工具,[8]適用于包括電工電路、模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)仿真電路、電路故障診斷應(yīng)用電路等多種電子電路的設(shè)計(jì)、測試及特性分析。該軟件的元件庫器件數(shù)量多,虛擬儀器有20 多種,可建立虛擬實(shí)驗(yàn)室,鑒于該軟件的優(yōu)勢,在電工電子技術(shù)課程理論教學(xué)中引入基于Multisim 軟件的虛擬仿真演示,把抽象知識(shí)具體化,并促進(jìn)課程理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)的有機(jī)融合。[9]課程教學(xué)模塊“電路暫態(tài)分析”中,主要圍繞電容、電感在暫態(tài)電路中的特性展開。暫態(tài)過程對(duì)電路的影響大,但它發(fā)生時(shí)間短,為提高學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的具體認(rèn)知,應(yīng)該在課堂教學(xué)中向?qū)W生具體展示實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果,但調(diào)試過程會(huì)比較長,影響整個(gè)教學(xué)進(jìn)程。因此,在本模塊教學(xué)中引入多個(gè)仿真演示,以下就以一階RC 電路應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容為例,介紹利用Multisim 的虛擬仿真進(jìn)行教學(xué)改革的具體實(shí)施過程。
學(xué)生獲取知識(shí)的途徑大部分是通過聽覺,大部分學(xué)生反映知識(shí)比較抽象,在學(xué)習(xí)這一知識(shí)點(diǎn)的過程中沒有實(shí)感,不好理解以至于很容易忘記推出的結(jié)論。因此,在理論課堂教學(xué)中引入Multisim 仿真一階RC 電路的實(shí)際應(yīng)用,模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,以動(dòng)態(tài)的形式呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容,讓學(xué)生通過更多視覺刺激獲取知識(shí)。圖1 左邊電路是一階RC 積分電路,圖1 右邊是相應(yīng)的波形圖。圖1 左邊電路的電阻與電容各取最大值的30%,這個(gè)值在仿真過程中可以隨時(shí)調(diào)整,“XFG1”是信號(hào)發(fā)生器,在該電路中,信號(hào)設(shè)置為矩形脈沖波,頻率1kHz,占空比50%,幅度2.5V,偏置2.5V,即輸入信號(hào)是5V/1kHz 的方波信號(hào)。[10]示波器輸入通道A 接信號(hào)發(fā)生器,即顯示方波信號(hào);通道B接電容兩端,即顯示電容兩端電壓變化波形。通道A、B 的連接線顏色可自行選擇,此時(shí)我們?yōu)橥ǖ繟 默認(rèn)選擇黑色,通道B 選擇紅色,即電容充放電波形為紅色,目的是為了更清晰地進(jìn)行波形對(duì)比。實(shí)際仿真過程中,圖1 到圖4 的所有波形圖都是沿水平t 軸動(dòng)態(tài)變化的圖形。從圖1 右邊的動(dòng)態(tài)波形圖中可以很容易觀測到,當(dāng)方波為高電平時(shí),電容此時(shí)處于充電狀態(tài),反之,方波為低電平時(shí)電容放電。此時(shí)脈沖寬度tp=0.5T=0.5/f=0.5ms,τ=0.3*103*0.3*10-6=0.09ms,tp>τ,電容充放電速度較快。還可以從波形圖看出,在高低方波的末尾,兩種波形有一段重疊,即方波還未從高電平跳到低電平時(shí),電容已充電完畢;反之,放電波形也有重疊現(xiàn)象。通過調(diào)整R、C 參數(shù)改變電路時(shí)間常數(shù),得到不同的輸出電壓波形圖。如圖2 所示,τ=1*103*1*10-6=1ms,當(dāng)方波脈沖電壓從0 跳變到5V 時(shí),電容開始充電,由于此時(shí)τ>>tp,電容兩端電壓增長緩慢,還沒達(dá)到5V 時(shí),方波脈沖電壓已經(jīng)從5V跳變?yōu)?,電容開始放電,還沒放電完畢,方波脈沖電壓又跳變?yōu)楦唠娖?,輸出端得到一個(gè)近似鋸齒波電壓。此時(shí),可以告訴學(xué)生,在脈沖技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中,需要將矩形脈沖信號(hào)變?yōu)殇忼X波信號(hào)就是應(yīng)用此類積分電路。圖3 左邊電路與圖1 電路一樣,只是選擇電阻兩端電壓作為電路輸出電壓,稱之為微分電路。此時(shí),tp還是為0.5ms,τ=0.75*103*0.8*10-6=0.6ms,此時(shí)τ>tp。調(diào)整R、C 參數(shù),可以得到不同的電壓波形。當(dāng)τ=2*103*1*10-6=2ms>>tp時(shí),輸出電壓接近輸入電壓波形,如圖4 左邊所示。此時(shí),可以告訴學(xué)生,此電路常用于多級(jí)放大電路的阻容耦合電路中,阻容耦合電路將在此課程的后半部分學(xué)到,學(xué)習(xí)電子技術(shù)知識(shí)需要電工知識(shí)的支撐,不要再質(zhì)疑為何要學(xué)習(xí)抽象的電工知識(shí)了。當(dāng)τ=0.1*103*0.15*10-6=0.015ms< 圖1 積分電路與波形圖 圖2 鋸齒波形圖 圖3 微分電路與波形圖 圖4 時(shí)間常數(shù)不同時(shí)的輸出電壓波形圖 圖5 測試幅頻特性電路 圖6 測試幅頻特性電路 為拓展RC 電路知識(shí),在圖1 所示電路中,把示波器換成博德圖儀(Bode Plotter),如圖5 所示,分別測試R、C 的幅頻特性。博德圖儀水平軸設(shè)置為線性形式,初始值和最終值分別為1Hz 和1kHz,垂直軸設(shè)置為線性形式,初始值和最終值分別為0 和1,“XBP1”和“XBP2”分別測試電容C、電阻R 的幅頻特性,得到如圖6 所示的幅頻特性圖。從圖6 的左圖看出,由于電容的容抗與頻率成反比(ZC=1/2πfc),其輸出響應(yīng)幅度隨著輸入信號(hào)掃描頻率從低到高不斷下降;電阻阻抗與頻率無關(guān),此時(shí)高頻分量主要加在電阻上。因此一階RC 電路具有高通(電阻輸出電路為高通電路)或低通(電容輸出電路為低通電路)的濾波特性。電容與頻率關(guān)系知識(shí)點(diǎn)在之前講解電容特性時(shí)已經(jīng)學(xué)過,此時(shí)通過電路仿真能夠鞏固并拓展已學(xué)知識(shí),進(jìn)一步加深學(xué)生知識(shí)記憶。 通過教學(xué)實(shí)踐證明,在課堂理論教學(xué)中引入仿真演示教學(xué)法能夠打破時(shí)間和空間的限制,通過仿真軟件設(shè)置各種參數(shù)與模擬條件,能夠更高效地向?qū)W生傳授知識(shí);所有的操作均不是現(xiàn)場實(shí)施,節(jié)省實(shí)驗(yàn)室或?qū)嵙?xí)基地建設(shè)資金,也絕對(duì)不會(huì)帶來危險(xiǎn)的后果,[11]保證師生安全;仿真軟件可由學(xué)生獨(dú)立操作,獨(dú)立完成,能夠?yàn)閷W(xué)生提供充分動(dòng)手的機(jī)會(huì),也杜絕學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)弄虛作假;學(xué)生仿真時(shí)間靈活,不局限于課堂,更容易調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性;教師可以布置相應(yīng)的作業(yè),拓展學(xué)生知識(shí),讓學(xué)生更直接地感受到知識(shí)的魅力。