基于微世界理論的PSpice軟件在教學中的應用研究

【摘要】分析了當前微世界理論的發展及其在模擬仿真中的應用現狀，進一步研究了基于微世界理論的PSpice軟件在教學中的應用，通過一個PSpice軟件在電子教學中應用的具體案例，討論了PSpice在教學中的應用方法，以期對相關應用有所幫助。

【關鍵詞】微世界;PSpice;電子教學;模擬仿真

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)01—0127—03

一 微世界理論及其在模擬仿真中的應用

微世界(Microworld)一詞最早由Papert提及，特指Logo的學習環境。Logo語言主要作為激發學習者思考、創造、認知發展的學習環境。利用簡單的電腦幾何作圖，學習者可以學習基本的程式設計、邏輯思考、幾何空間概念與解決問題的方法。它能夠讓學習者用很簡單的指令，學習控制“海龜”的移動，并觀察其移動的軌跡和特性;借由將“操作海龜”轉變成自己的物件來創造出自己個人的視覺世界，進而產生有趣的邏輯問題與幾何現象，探索邏輯與幾何觀念問題，最后提出假設加以驗證并解決問題[1]。

微世界是一種模擬真實世界現象與環境的發現式學習系統(環境)。它只是提供某一個學科知識領域的微小但完整的“世界”，將微世界作為向學習者傳遞知識和技能的一種環境或一種載體[2]。創建微世界環境的目的是為了向學習者提供一個可供自由探索、完全自主控制的學習環境，在該環境中學習者可以對學習進行自我組織，自行確定學習內容與目標，從而達到幫助教師講授某個教學難點，或幫助學生學習某個知識技能點和探究新知的效果。

當前微世界的教學或學習環境大多是借助計算機化建模技術構造的，從這個意義上講，可以將微世界看作是一個有效整合計算機科技與模擬環境的認知學習支援工具。由于微世界具有仿真模擬真實環境的特點，它已經被逐步應用到數學、計算機、經濟學等各種不同的領域:20世紀90年代開始在中國廣泛應用的“幾何畫板”工具解決了平面幾何、物理矢量分析、作圖和函數作圖的難題，把抽象的內容以形象的方式呈現給學習者;臺灣學者張基成以微世界在自然科學學習上的應用為著眼點，開發出名為《小小旅行家微世界探險》的微世界學習環境，其設計理念正是提供模擬真實世界現象的發現式與探索式的經驗學習環境，借助于模擬與實驗活動，促進學習者主動發現與探索問題的認知歷程，從而激發學習者高層思考、多元創造、主動積極學習與解決問題的能力[3]。

二 PSpice在教學中的應用

在電子技術教學中經常會遇到這樣的情況:學生對專業中所涉及的實用技術有濃厚的觀察和動手興趣[4]，但對課堂教學卻十分厭惡。究其原因主要就是教學時因為學時的限制和實驗設備的局限性，使教師無法全部采用邊講理論邊做實驗的教學模式，以至于學生的好奇心被磨滅，甚至使學生對模電這門課產生畏懼，認為“模電就是魔鬼電路”。

由于微世界要求學生對模擬的環境可操縱、可建構，因此將基于微世界理論的仿真軟件引入到電子線路課堂教學中進行輔助教學可以大大改善教學的效果。比如現在比較流行的PSpice軟件，它允許學習者利用它提供的元件構造各種模擬電路和數字電路，并可以動態測試電路的性能，幫助學生在理論學習過程中及時印證所學的內容，理解電路的復雜變化工程，達到理論與實踐相結合的目的。

PSpice是由SPICE發展而來的用于微機系列的通用電路分析程序。SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美國加州大學伯克利分校于1972年開發的電路仿真程序。隨后版本不斷更新，功能不斷增強和完善。PSPICE可以對眾多元器件構成的電路進行仿真分析，能進行模擬電路分析、數字電路分析和模擬數字混合電路分析。其主要分析功能包括直流分析、瞬態分析、蒙特卡羅(Monte Carlo)分析和最壞情況(Worst Case)分析等，用它還可以觀察到變量的各種波形數據列表，功能強大[5]。

下圖是PSpice A/D的運行界面，PSpice A/D (included in OrCAD with PSpice v10.5)是一個全功能的模擬與混合信號仿真器，它支持從高頻系統到低功耗IC設計的電路設計。PSpice的仿真工具已和 OrCAD Capture及Concept HDL電路編輯工具整合在一起，讓工程師方便地在單一的環境里建立設計、控制模擬及得到結果。

在電子技術實驗教學中，除了要求學生掌握一些常用儀器的使用方法和參數測量方法外，一般要求學生通過所做實驗進一步掌握有關元器件及電路的各種性能，通過直觀的實驗鞏固所學的理論知識。然而對于復雜電路，學生在短時間內很難把握電路輸出及各種性能指標。由于PSpice的仿真計算精確，利用PSpice仿真軟件進行電子電路的分析驗證幾乎與真實實驗室環境下的實驗調試結果一致。PSpice有文本和圖形兩種輸出方式，有利于學生對電路的全面理解，而且具有完全不耗材和元器件資源、儀器儀表資源豐富及設計調試安全等特點。

三 教學應用實例

1 教學問題

我們結合一個具體的教學實例來對PSpice在模擬電子教學中的應用進行詳細闡述。如圖2a是一個乙類互補對稱功放電路(參照PSpice幫助文檔中功率放大器電路仿真例題及聯系)，基于該電路要解決如下問題:

第一，Vi幅值為5V，頻率為1KHz的正弦波。作瞬態分析，觀察輸出Vo形的交越失真。進一步作直流掃描分析，求失真所對應的輸入電壓范圍。

第二，為減小和克服交越失真，在兩基極間加上補償二極管及相應電路，以供給T1和T2兩管一定的正向偏壓，構成甲乙類互補對稱功放電路(圖2b)。再作瞬態分析，觀察輸出Vo交越失真是否消除。

第三，求圖2b的最大輸出電壓范圍。

2 教學過程

在PSpice中可以通過以下步驟來分析該電路:首先進入Schematics主窗口，繪出圖a所示電路，并設置好參數，接著按以下步驟進行解題:

第一，設置瞬態分析(Transient)功能。得瞬態波形如圖2c所示，可看出Vo有交越失真。再設置直流掃描分析(DC Sweep)，信號源Vi的掃描范圍為-2V~+2V。得電壓傳輸特性如圖2d所示，由圖中看出，輸入電壓在-0.68V~+0.68V范圍內出現失真。

第二，將電路改成圖2b的形式，重復(1)的步驟，可得電路的瞬態波形和傳輸特性分別如圖2e、2f所示，可看出Vo已無交越失真。

第三，設置直流掃描分析，電壓源Vi的掃描范圍為-10V~+10V。得電壓傳輸特性如圖2g所示，由圖中看出，最大輸出電壓范圍約為-5V~+5V。

3 討論

根據上述教學實例，我們可以看出基于微世界理論的PSpice模擬仿真軟件在輔助教學中可以起到如下作用:

(1)將實驗室引進課堂，提高教學效率

微世界倡導的學習模式是情境式、經驗式、自我調節式的“在做中學”。在有關電子技術的部分教學中，實驗耗時多，實際操作難度大，難以在課堂時間內穿插演示，而人的記憶具有隨時間推移遺忘率增大的特點，如果理論與動手的時間間隔較長，學生的學習效率就會降低。例如在上述“乙類互補對稱功放電路”教學中通常采用分段式教學，論教學和實驗部分分開進行，但這樣會造成知識在傳授過程中的斷點。應用PSpice輔助教學就能直接在課堂上快速、完整的建構出實驗原理圖，并且能夠展現完美的仿真實驗過程，及時顯示實驗結果。

(2)調動學生學習的主觀能動性，培養學生的分析、應用和創新能力

微世界學習環境的出現為學生問題的解決提供了嶄新的平臺，促進學生在學習后將知識遷移到實際環境中，學生可以借助于微世界建立問題空間的模型，通過假設驗證等類似科學家探究問題的方法來解決遇到的問題。例如在該教學實例中，學生可以在PSpice中添加或修改各種元器件以探索解決乙類互補對稱功放電路出現的交越失真問題的方法。它可以加強學生與學習環境的交互，使學生明確問題的性質，進而作出明確的表征，并通過建模調試到反思和總結，在遍遍錯誤和重新尋找解決辦法的反復過程幫助學生解決問題。同時學生還能對問題所涉及的相關知識有更深刻的理解，達到將所學知識融會貫通的目的。

(3)可以恰當運用反例教學，培養學生發現與解決問題的能力，優化教學效果[6]

微世界可以培養學生觀察現象、發現問題、尋找資料、提出假設、設計實驗、執行實驗、驗證結果與討論結果等系統化程序的能力。在傳統電子技術的實驗課中，對實驗時接線的要求非常嚴格，萬一接錯線可能會燒壞元件甚至燒壞儀表，不僅造成實驗材料的浪費而且還有一定的危險性。而將PSpice引入教學后，學生則不必畏首畏尾，可以把電路圖故意接錯，設置短路、斷路、漏電等故障:如在電路中接一指示燈進行故障仿真時會出現指示燈被燒壞或不亮等現象，此時再加上教師的及時解釋和強調，將會給學生留下深刻的印象，從而大大減少實際操作中的線路故障率，節約實驗材料，提高實驗效率，改善和提高學生掌握正確的測量方法和熟練使用儀器方面的能力。PSpice給學生提供了模擬真實情景的問題情境，是學生應用知識、解決問題的一種良好的訓練工具。

四 結語

簡言之，基于微世界理論的PSpice軟件具有逼真再現真實電路并能自行操作的顯著特點，將其作為一種教學媒體和教學環境引入電子技術的課堂可以給學生留下深刻的印象，顯示出傳統教學不可比擬的優勢。它能有效地激發學生的學習興趣和求知欲，激勵學生積極主動的學習思考，從而達到認識事物、啟發思維、激發想象、引導感情的目的，提高了學生分析問題和解決問題的能力，提高了學生實踐和動手能力，培養了學生勇于探索不斷創新的能力，促進了電子技術課堂面貌的革新，使電子技術不再枯燥。但同時也應看到電子實驗培養學生動手能力的重要性，電路的焊接和調試的實際操作是該軟件無法實現的，因此完全依賴微世界而舍棄實際操作是不可取的，在實際教學中必須將兩者合理結合，充分發揮仿真軟件在電子教學中的魅力，達到最佳教學效果。

參考文獻

[1] 張基成.電腦微世界認知學習環境——探索與發現問題之心智工具[J].視聽教育雙月刊，1999，(1):30-39.

[2] 張偉.微世界教育應用探索[J].遠程教育雜志，2003(5):7-10.

[3] 張基成，岳修平，吳明德 等.微世界學習環境[C].第八屆國際電腦輔助教學研討會大會論文，1988.

[4] 何克抗，鄭永柏，謝幼如.教學系統設計[M].北京:北京師范大學出版社，2003.

[5] A.Vladimirescu.SPICE通用電路模擬程序用戶指南[M].北京:清華大學出版社，1993.

[6] 李文聯.用虛擬儀器進行多媒體演示實驗[J].電化教育研究，2004，(3):55-57.