淺議Proteus仿真在電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

葉軍林 陳孟祥

摘要：電子技術(shù)是機(jī)電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的工程性和實(shí)踐性。為了適應(yīng)高職教育改革的要求，提高課堂教學(xué)效果，結(jié)合著學(xué)校的實(shí)際情況，引入Proteus 電路仿真軟件輔助教學(xué)，將抽象的理論較為形象地顯示出來，便于學(xué)生理解，一定程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：電子技術(shù);線上教學(xué);Proteus 電路仿真;失真;動(dòng)態(tài)測試

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）19-0167-02

1引言

《電子技術(shù)》課程是理工科院校的一門理論性、實(shí)用性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，又是工科學(xué)生最先接觸的技術(shù)基礎(chǔ)課之一，擔(dān)負(fù)著從基礎(chǔ)課到專業(yè)課的過渡，它在工科機(jī)電類的整個(gè)教學(xué)過程中起著十分重要的作用。理論知識對于職業(yè)院校的初學(xué)者望而生畏;實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)在時(shí)間空間上與理論教學(xué)脫節(jié)，體驗(yàn)式驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多，沉浸式綜合性的實(shí)驗(yàn)少，使得理論知識的理解并沒有很好通過實(shí)驗(yàn)課程而得到加深，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)自主創(chuàng)新實(shí)踐受到限制，動(dòng)手能力難以得到進(jìn)一步加強(qiáng)[1]。

廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院電氣自動(dòng)化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)等專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中明確提出：建立與理論教學(xué)相配套的實(shí)踐教學(xué)體系，加強(qiáng)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的融合;實(shí)踐課時(shí)要百分百覆蓋，培養(yǎng)學(xué)生具備用專業(yè)知識解決實(shí)際問題的能力。因此，加強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)知識應(yīng)用和實(shí)踐能力成為一個(gè)重要問題，應(yīng)盡可能在現(xiàn)有環(huán)境條件下讓所有學(xué)生得到充分有效實(shí)踐。受新冠肺炎疫情的影響，2020學(xué)年春季學(xué)期，為了正常開展各項(xiàng)教學(xué)工作，《電子技術(shù)》課程授課轉(zhuǎn)移到了線上進(jìn)行，也即通過騰訊課堂直播代替線下教學(xué)。線上教學(xué)最大的優(yōu)勢就是打破了空間和時(shí)間的限制，讓身處任何地方的教師和學(xué)生都可在虛擬空間里完成教和學(xué)。為了保障線上教學(xué)環(huán)境下該課程的教學(xué)效果，我們將Proteus虛擬仿真與線上教學(xué)相結(jié)合，充分利用虛擬仿真平臺(tái)的優(yōu)勢，通過Proteus虛擬仿真軟件來模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生通過該平臺(tái)可進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和綜合設(shè)計(jì)開發(fā)，既有效保障學(xué)生實(shí)踐能力的鍛煉和提升，也順利完成了教學(xué)任務(wù)。

2 Proteus虛擬仿真平臺(tái)

Proteus是由英國Lab? Center? Electronics公司開發(fā)的一款EDA 工具軟件，它可實(shí)現(xiàn)從原理圖布置、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路的協(xié)同仿真。該平臺(tái)真正做到了將電路仿真、Pcb設(shè)計(jì)和虛擬模型仿真三者融合于一體。Proteus支持8051、Avr、Arm、8086、Msp430以及Cortex和DSP系列等處理器模型，支持字符Lcd模塊、圖形Lcd模塊、LED點(diǎn)陣、七段數(shù)碼管、鍵盤/按鍵、直流/步進(jìn)/伺服電機(jī)、RS232虛擬終端等通用外設(shè)模型，以及使仿真電路通過PC機(jī)串口和外部電路實(shí)現(xiàn)雙向異步串行通信，并支持Iar、Keil等多種編譯器。在仿真元器件資源方面，包括仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，仿真儀表資源眾多，包括示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號發(fā)生器等。同時(shí)還提供了模擬和數(shù)字測試信號，極其方便電路的測試[2]。

電子技術(shù)課程的實(shí)踐性較強(qiáng)，軟件和硬件結(jié)合、理論和實(shí)踐結(jié)合是必然的選擇[3]。Proteus虛擬仿真平臺(tái)可開展電子技術(shù)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn);同時(shí)，在此基礎(chǔ)上可以為后續(xù)的專業(yè)課程如單片機(jī)原理及應(yīng)用等課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)做好了鋪墊。

該仿真平臺(tái)對計(jì)算機(jī)硬件的要求不高，Windows7系統(tǒng)可以安裝漢化的Proteus7.5及以上版本，Windows8以上系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)建議安裝Proteus8.0及以上版本。該軟件極大地方便了學(xué)生在PC機(jī)上搭建Proteus虛擬仿真環(huán)境，可隨時(shí)隨地根據(jù)自己的構(gòu)想來設(shè)計(jì)和搭建仿真電路，并快速得到仿真驗(yàn)證結(jié)果，極大地提高了設(shè)計(jì)制作系統(tǒng)實(shí)物的效率和成功率。也為學(xué)生參加電子技能比賽奠定了基礎(chǔ)。

3 Proteus 軟件在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用舉例

將 Proteus 軟件應(yīng)用于電子技術(shù)課程的理論教學(xué)及實(shí)踐教學(xué)中，因其操作簡單易學(xué)，仿真界面簡潔直觀，易被學(xué)生接受，對于學(xué)生理解知識的重難點(diǎn)有很大的幫助。

首先，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入該軟件，學(xué)生調(diào)取相關(guān)元器件搭建實(shí)驗(yàn)電路，調(diào)整元器件的參數(shù)，元器件的接線，展示仿真結(jié)果。對于設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，通過不斷地修改軟件仿真、調(diào)試，便于獲取完善的電路設(shè)計(jì)。相對于直接制作電路板實(shí)物，不僅節(jié)約資源，還可以節(jié)省時(shí)間，提高學(xué)生的分析能力和設(shè)計(jì)能力[4]。其次，方便學(xué)生們在課余，沒有設(shè)備操作的情況下，將自己的想法利用仿真軟件去實(shí)現(xiàn)，在一定程度上激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。最后，在理論教學(xué)中，適當(dāng)引入該軟件，可以使學(xué)生在聽課的過程中更容易理解知識重點(diǎn)，突破知識難點(diǎn)。

模擬電路部分，三極管放大電路的工作原理以及放大電路參數(shù)的工程估算是教學(xué)大綱中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在學(xué)習(xí)這部分理論知識時(shí)，學(xué)生感覺生澀，很難理解，特別是對電路做靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析，求解相應(yīng)物理量的時(shí)候無從下手。課堂上，引入共射極放大電路的靜態(tài)測試仿真和動(dòng)態(tài)測試仿真，使得抽象的理論形象起來，有據(jù)可依。圖1、圖2是共射極放大電路的動(dòng)態(tài)測試仿真電路及測試結(jié)果。

系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)后，我們對照圖1的電路參數(shù)，采用微變等效電路法，分別求取動(dòng)態(tài)分析的三個(gè)重要物理量：輸入電阻Ri、輸出電阻Ro、不接負(fù)載時(shí)的電壓放大倍數(shù)Au。

緊接著用proteus搭建如圖1所示的分壓偏置式共射極放大電路的仿真模型。從圖2示波器的仿真結(jié)果可以看出： 上面的正弦波（輸入信號）和下面的正弦波（輸出信號）相位相差180°，直觀展示了理論知識中的難點(diǎn)-共射極放大電路屬于反相放大;讀取輸入信號峰值Uip-p和輸出信號的峰值Uop-p，得到信號的放大倍數(shù)近似為160倍，和理論計(jì)算值做比較，驗(yàn)證了理論計(jì)算值;調(diào)整可調(diào)電阻RV1，改變靜態(tài)工作點(diǎn)，直到示波器的輸出波形出現(xiàn)上削波（截止失真）和下削波（飽和失真），仿真中直觀感受到放大電路會(huì)出現(xiàn)波形失真，必須要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，鞏固了知識的重難點(diǎn)。

4 結(jié)束語

將Proteus虛擬仿真軟件應(yīng)用于課程教學(xué)，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間限制，讓學(xué)生隨時(shí)學(xué)、隨地學(xué);減少了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)和系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)用能力的限制，學(xué)生可根據(jù)設(shè)想進(jìn)行任意構(gòu)建和設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮想象力和綜合設(shè)計(jì)能力[5];自建校以來，電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)室沒有更換設(shè)備，實(shí)驗(yàn)?zāi)K老化嚴(yán)重，導(dǎo)致部分實(shí)驗(yàn)無法完成，利用仿真創(chuàng)造了實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

疫情初期的《電子技術(shù)》線上教學(xué)，讓我們嘗試到Proteus虛擬仿真軟件為實(shí)踐環(huán)節(jié)帶來的便利。既提升學(xué)生課程的參與度以及課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度，也順利完成了人才培養(yǎng)方案中教學(xué)實(shí)踐的覆蓋率。2021年的春季《電子技術(shù)》授課中，借鑒線上授課的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)踐部分包含了Proteus仿真與實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)際電路的搭建與測試，這種混合式的實(shí)踐教學(xué)提高了學(xué)習(xí)效率，提升了學(xué)生對知識潛移默化的應(yīng)用能力[6]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊晶晶，劉延飛，慕曉剛，等.“數(shù)字電子技術(shù)”課程SPOC實(shí)踐探析[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2020，42（2）：56-59，63.

[2] 王斌.Proteus虛擬仿真平臺(tái)在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)核心課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].紡織服裝教育，2021，36（4）：366-369.

[3] 戴明，孟召議，張淑驊.Multism在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，19（5）：80-85.

[4] 鄭三婷.淺談Multisim仿真軟件在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣與自動(dòng)化，2020（12）：121-122

[5] 劉晨.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐[J].科技風(fēng)，2020（5）：50.

[6] 李瀅潞.基于雨課堂和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的數(shù)字電子技術(shù)混合式教學(xué)模式的探究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2020（6）：79-82.

收稿日期：2021-09-11

基金項(xiàng)目：廣東省高職院校工業(yè)節(jié)能技術(shù)高水平專業(yè)群（GSPZYQ2020008）;廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院2019年校級質(zhì)量工程物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（J410320022202）

作者簡介：葉軍林（1980—）男，河南省信陽市人，講師，高級技師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)保裝備制造技術(shù);陳孟祥 （1982—），男，湖南邵陽市人，高級工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。