Proteus虛擬仿真在“電工電子技術(shù)”理實一體化課程教學中的運用

湖北交通職業(yè)技術(shù)學院 馮雪姣 劉 杰 陳茂林

近年來，針對學生普遍在電工電子領(lǐng)域成績不理想，興趣一般的問題，在《電工電子技術(shù)》基礎(chǔ)課程上下足了功夫，將傳統(tǒng)的理論課改為理實一體化，現(xiàn)在又引入Proteus虛擬仿真還原電路實際模型，這一系列舉措，為學生專業(yè)知識的學習奠定了基礎(chǔ)，教學質(zhì)量也到了明顯提升。

“電工電子技術(shù)”是一門非常重要的基礎(chǔ)學科，不論是汽車制造技術(shù)類專業(yè)、機電智能制造類專業(yè)，以及航空飛行制造類專業(yè)，“電工電子技術(shù)”都是其核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。一個學生能不能很好地掌握電工電子技術(shù)知識，決定了學生在與之相關(guān)專業(yè)能走多遠。目前大多數(shù)高職類院校電工電子理實一體化課程教學普遍采用理論教學加實操，大部分實操主要是通過固定的試驗臺接線完成，但對于電路模型比較抽象的分析還是無法值觀展現(xiàn)，如果能在“電工電子技術(shù)”理實一體化教學過程中對Proteus虛擬仿真加以運用，就將給學生的學習帶來不一樣的學感體驗。

1 什么是Proteus虛擬仿真

Proteus虛擬仿真是一種模擬技術(shù)，用一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)，該軟件不僅具有EDA工具軟件的仿真，還能夠仿真部分復雜電路的外圍器件。它可以從電路原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，還能一鍵切換到PCB設(shè)計，可以實現(xiàn)概論到產(chǎn)品的完整設(shè)計，是目前唯一能將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬仿真軟件三合一的設(shè)計平臺。其極強大的功能能夠幫助電氣類初學者打通認知需求，也可以為有創(chuàng)造能力的同學們提供一個良好的軟件平臺，幫助他們更進一步完成他們的需求。則將Proteus虛擬仿真引入我們的《電工電子技術(shù)》課程教學十分有必要，它可以讓學生能夠較清晰的認清電路間各個電路元器件的關(guān)系以及電流電壓分配關(guān)系等，讓學生通過自主學習和創(chuàng)新，模擬和弄懂多種電路模型。

2 “電工電子技術(shù)”理實一體化教學的現(xiàn)狀

電工電子技術(shù)的基本知識包含很多知識點，主要有直流電路、正弦交流電路、二極管電路、三極管電路、直流穩(wěn)壓電源、門電路和組合邏輯電路等。該課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課主要目的是培養(yǎng)學生掌握電路的分析方法，使學生能夠利用所學知識解決實際問題，最終將知識升華到可以自主設(shè)計電路進行創(chuàng)新實踐。但是，在理實一體化教學過程中卻碰到了很多問題。

2.1 課程偏理論，學生被動學習

該課程在進行理實一體化教學之前，傳統(tǒng)教學方式都是用PPT“填鴨式”教學。因為電工電子課程中很多的定律、法則和公式，伴隨著大量的計算分析，過程中的電流、電壓等參數(shù)變量又看不見摸不著，整個學習偏理論，導致學生學習興趣低，主動學習積極性差，課堂上又缺乏獨立思考，導致創(chuàng)新能力無法提升。

2.2 理實一體化教學設(shè)備不足

由于電工電子為專業(yè)基礎(chǔ)課，現(xiàn)有的大部分電工電子實訓室都需要滿足全校該實訓課程需求，在教學安排上困難重重。特別是理實一體化會擠占大量設(shè)備儀器，這嚴重制約了電工電子技術(shù)的課堂轉(zhuǎn)型。

2.3 實驗驗證難度大

根據(jù)理論知識講解情況，安排學生進行實驗課程，學生在特定的試驗臺，按照老師要求結(jié)合電路圖進行接線，完成相關(guān)電壓、電流、電阻、功率等參數(shù)的測定。因?qū)嶒炘O(shè)備使用學生過多且不規(guī)范導致很多接線口損壞或接觸不良，這樣數(shù)據(jù)結(jié)果不準確，導致驗證實驗效果差。

3 Proteus在“電工電子技術(shù)”理實一體化教學中運用的優(yōu)勢

在“電工電子技術(shù)”中引入Proteus進行仿真，將進一步增加學生課堂的趣味性，增強學生的感性認識，能解決之前碰到的一系列問題。

（1）解決課程偏理論，學生被動學習的問題

Proteus仿真軟件是一款較為完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計仿真平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)電路、數(shù)字電路和模擬電路的設(shè)計與實時仿真。書本中例題都可以采用模擬仿真的方式在電腦上再現(xiàn)，根據(jù)書本答案與仿真結(jié)果進行對比，從而加深理論學習的記憶，變填鴨式學習為主動驗證型學習。

（2）解決一體化教學設(shè)備不足的問題

由于人均設(shè)備比不足，學生進行理實一體化課程時，不可避免地有人動手、有人旁觀。如果讓學生自帶筆記本安裝Proteus進行仿真，也就變相增加了操作臺，可以分流部分學生進行模擬仿真操作，然后再彼此交換，完美解決設(shè)備不足的問題。

（3）解決實驗驗證難度大的問題

目前大部分學生的理論研究是弱項，但只要利用好了工具，就能很好地解決這一問題。利用Proteus虛擬仿真驗證實驗數(shù)據(jù)和電路模型分析，幫助學生對比實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果比對，加強理論知識的驗證和自主創(chuàng)新設(shè)計能力的培養(yǎng)，為后續(xù)課程學習的學習奠定基礎(chǔ)。

4 Proteus虛擬仿真在“電工電子技術(shù)”理實一體化課程教學中運用的案例分析

Proteus仿真軟件操作簡單，對初學者特別適用，可以在沒有硬件支持的基礎(chǔ)上進行電路的設(shè)計和開發(fā)。Proteus在“電工電子技術(shù)”的有效應用，使得學生高效掌握所學知識，提高學習效率，促進理實一體化課程學習和教學改革，增強學生的自主學習興趣和創(chuàng)新能力。

在學習過程中，學生可靈活采用Proteus所提供的元器件仿真模型自主設(shè)計電路，同時進行仿真調(diào)試，并及時看到運行結(jié)果。這樣的教學方法讓學生既能及時了解和分析電路結(jié)構(gòu)，又能鍛煉學生發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。

（1）下面對直流電路分析過程中的疊加原理為例，做出了仿真圖如圖1所示。分析線性電路疊加定理中各個支路中電流或電壓的分配情況。

（2）下面對數(shù)字電路中的組合邏輯電路的分析與設(shè)計為例，用與非門設(shè)計一個常用的三人表決器：

①根據(jù)輸入輸出分析，畫出邏輯電路圖如圖2所示；根據(jù)邏輯電路圖，繪制出電路原理圖如圖3所示。

②根據(jù)實際電路圖，利用Proteus虛擬仿真畫出事物接線圖，如圖4所示，通過演示實現(xiàn)三人表決器的功能。

以上實例清晰的通過理論講解到實物接線，最后再運用Proteus虛擬仿真還原真實的三人表決器這樣的真實功能，如果有興趣的同學甚至可以根據(jù)實物接線圖焊接出一個完整的實物裝置，這樣的教學過程不僅能調(diào)動學生主動學習的興趣，更能夠激發(fā)他們自主創(chuàng)作的創(chuàng)新能力。

圖2 邏輯電路圖

圖1 疊加定理的仿真實物接線圖

圖3 電路原理圖

（3）模擬電路中三極管的放大狀態(tài)的虛擬仿真，選NPN性三極管實驗如圖5所示，虛擬仿真結(jié)果可以清晰看出IB=0.02mA，IC=0.16mA，IE=0.18mA，驗證三極管具有電路放大作用：IB+IC=IE，不僅復習了電路接線還將驗證了實驗結(jié)果。

采用Proteus虛擬仿真搭建電路模型后，杜絕了元器件間連線的接觸不良及元件損壞的干擾，成功率大幅提高。并且Proteus虛擬仿真清晰直觀，測量和調(diào)試、過程和結(jié)果都十分統(tǒng)一，有助于學生的理解和接受，增強了學習的信心，將學生曾經(jīng)的難點轉(zhuǎn)換成為興趣的點。在教學中引入Proteus虛擬仿真，不僅可以拓展開放性的教學，還可以在原來學習的基礎(chǔ)上，提升學生自主學習和創(chuàng)新設(shè)計能力。

5 Proteus在“電工電子技術(shù)”理實一體化教學中運用的效果分析

5.1 學生課堂情況

沒有應用Proteus前，學生普遍反映定律都枯燥乏味，計算過程難度大，引入Proteus進行仿真教學后，學生更易接受理論知識學習，它將抽象的學習內(nèi)容形象化，通過虛擬軟件真實的動態(tài)演示，激發(fā)了學生的學習興趣和積極性，使教學質(zhì)量提高明顯。學生的獨立操作能力、學習的主動性和創(chuàng)造力都得到了充分發(fā)揮。

5.2 學生成績情況

以往“電工電子技術(shù)”考核為理論占較大比重，且實操課程一般滯后與理論課程，很多學生還未學習到后面的知識就放棄學習，卷面成績十分不理想。但引入Proteus虛擬仿真后，將課程分為實操、理論和仿真實操三部組成，比例一致，理論知識不理解的可以即時通過仿真消化理解，再結(jié)合實操接線真正掌握所學知識，通過這樣的考核學生最終成績都有大幅提升，大部分學生對電工電子技術(shù)這門課程興趣更濃，十分期待電工電子技術(shù)相關(guān)的后續(xù)課程的開發(fā)和學習。

圖4 Proteus實物仿真接線圖

圖5 三極管放大電路仿真

結(jié)語：事實證明，學生對課程的學習效果與教師采取的教學方法有很大關(guān)系。筆者發(fā)現(xiàn)，在教學方式改變后，學生的學習情況明顯好了很多，整個課堂氛圍也活躍了，不再死氣沉沉，教師在課堂的幸福指數(shù)也上升了不少。Proteus確實是一個非常不錯的學習工具，下一步，筆者正在考慮，如何利用學生學習的熱情，組建社團，進一步提高學生在“電工電子技術(shù)”基礎(chǔ)學科上的整體水平。