電路實物實驗與仿真實驗的比較研究

摘要本文分析了電子電路計算機仿真技術軟件EWB的教學特性和教學功能，并以所在學校計算機技術與應用專業學生的電路課程實驗教學為研究對象，開展了實物實驗方式、仿真實驗方式以及實物實驗+仿真實驗方式的比較研究，得到了實物實驗+仿真實驗方式是其中提高實驗教學質量最佳實驗方式的結論。

中圖分類號：TN710文獻標識碼：A

Physical Experiment and Simulation Circuit Comparative Study

CHEN Yuehua， ZHU Ziyi， WAN Fei， KANG Qin， ZHOU Xuelian

(Computer and Information Science School of Southwest University，Chongqing 400715)

AbstractThis paper analyses computer simulation of electronic circuits EWB software features and teaching functions of teaching， and computer technology and application of the school students of the circuit for the study of experimental teaching program， carried out physical experimental methods， simulation methods and physical simulation experiment + Comparison of methods to get the physical simulation experiment + experimental teaching method is one of the best quality to improve the conclusions of several experiments.

Key wordselectronic circuit；computer simulation；EWB；experimental methods

1 實驗背景

1.1 電路課程教學的特點

電路課程是電子、通信、計算機技術與應用等許多學科專業的技術基礎課程。課程具有概念多、公式多、定量計算多、圖形多、宏觀現象的微觀分析多和實踐性強等特點，教與學難度較大。尤其是實驗教學對于實驗儀器和元器件的要求較高。其教學質量直接影響學生對后續相關專業課程的學習。課程教學流程如圖1所示。一般由理論教學、實驗教學和課程設計等環節構成。實驗教學流程如圖2所示。

圖1電路課教學流程圖2電路實驗教學流程

實物實驗主要有以下不足：（1）教學形式、方法與內容的固定。由于受教師、課時、場地、設備、元器件等教學資源的限制，實物實驗通常有四定：定時間、定地點、定內容、定人員。學生無論能力大小都按同一個步調做著相同的實驗內容，很少有獨立思考的時間。教師對學生的指導也多表現為幫助完成實驗。而要實現學生的全面發展，必須立足于個體差異，因材施教。

（2）教學準備工作量大。實驗教學中，器材的準備工作量很大，實驗中對元器件的消耗大，儀器設備更新換代周期長。這些也是影響設計性實驗開設的主要原因。

1.2 EWB仿真實驗的特點

EWB(electronics workbench電子工作平臺)電子電路仿真軟件與其他類似軟件（ORCAD、PROTEL）相比，它最大的特點是采用圖形操作界面模擬一個電子實驗臺，且仿真實驗儀器操作界面與實物儀器相差無幾，所有仿真儀器都是數字化、智能化的。安裝了EWB的電腦就相當于擁有一個功能強大、設備齊全、元器件豐富的小型“電子電路實驗室”。EWB具體特點如下：

（1）界面直觀，易學易用。電子元器件和實驗儀器均可直接從屏幕上選取。實驗儀器面板、操作開關同實物儀器相差無幾。提供了數量不限的數字萬用表、示波器、函數信號發生器等十多種仿真實驗儀器。電子元器件、電源、接地等符號都是通用標準符號。EWB7.0以上版本更是采用了3D技術，使實驗環境更加逼真。

（2）電子元器件豐富，仿真功能強大。提供了具有標準通用符號的上萬種電子元器件，元件參數可實時更改，同時具有模擬元器件開路、短路、漏電等故障的功能；EWB還提供了直流分析、交流分析、溫度分析、噪聲分析等多種電路性能分析功能；具有強大的在線聯機幫助功能，可以隨時了解所用電子元器件、實驗儀器的性能指標；可在線升級元器件庫、儀器庫。這些都大大地拓展了實驗研究的內容深度與廣度。

（3）實驗效率和精度高、無消耗。基于EWB的仿真實驗排除了實驗中的次要因素，如：電子元器件參數的分散性，電路連接不良，電子元器件、實驗儀器故障，溫度、濕度等環境因素影響，因此實驗效率高、精度高、成功率高，且無元器件、實驗儀器的消耗。

（4）文件容量小。實驗電路、數據、波形和實驗描述等可以EWB格式文件打包保存，攜帶、傳輸方便，并可在EWB平臺上直接運行，大大提高了教師批改實驗報告的效率，實現了無紙化實驗報告。同時由于EWB可上網運行，為遠程合作實驗研究提供了條件，突破了時間和空間的限制。

基于EWB仿真實驗具有如此多的優勢，那么它是否能代替傳統的實物實驗教學？實物實驗與仿真實驗結合是否能取得更好的實驗教學效果？這些都是我們探究的問題。

2 實驗介紹

（1）實驗對象：我校計算機與信息科學學院計算機技術與應用專業2008級三個班級，各55名學生。

（2）實驗目的：通過對實物實驗方式、仿真實驗方式以及實物實驗+仿真實驗方式這三種實驗方式的比較研究，探究三種實驗方式中提高電子電路課程實驗教學質量的最佳實驗教學方式。

（3）實驗時間：

2008.3~2008.7相關內容最新研究情況的調查和資料收集，確定實踐教學環節及各環節的實踐教學內容。

2008.9~2009.7設計具體實驗項目并進行實驗研究，并在研究中不斷充實、完善。

2009.8~2010.2整理、分析實驗數據，完成研究論文。

3 實驗過程

3.1 實驗條件

為保證實驗數據的可信度，除實驗形式不同之外，其它變量（理論課教材、實驗課教材、實驗內容、實驗時間、實驗設備完好率等）保持一致。參與實驗學生為學院08級計算機技術與應用專業1、2、3班的各55名新生。由于學生為同一專業新生，其理論與實驗技術基礎基本相同。三個班的實驗教師為同一人，理論課教師雖有不同，但教學年限、經驗和水平基本處在同一水平。

表1實驗分組情況

3.2 實驗分組

實驗分組如表1所示。每組實行一種實驗方式，實驗內容各組都相同。實物實驗兩人一組，EWB仿真實驗一人一組。

3.3 實驗內容

我們選取了三個實驗項目來對三組學生做對比研究。選取的實驗項目既符合學生的認知水平，又要達到教學預期的目標。實驗項目是：（1）基爾霍夫定律和疊加原理。（2）戴維南定理及功率傳輸最大條件的研究。（3）受控源特性的研究。

對參與實驗的學生通過實驗教師的講解，要求做到：實驗目的、實驗要求、實驗內容明確，了解和掌握實驗設備的基本功能和使用。

3.4 時間分配

每個實驗3 課時，3個實驗共計9課時。仿真實驗組和實物實驗組每個實驗按3個課時完成。實物實驗+仿真實驗組則需在3個課時內既完成實物實驗，又完成仿真實驗。其中，實物實驗與仿真實驗所占用的時間比例由學生根據自己的實驗情況決定。

3.5 實驗考試

完成3個實驗項目后，對三組不同實驗方式學生進行了實物實驗的操作考試，獲得不同組別（實驗用時、實驗結果正確率等）實驗數據。為了保證結果的準確性、有效性，考慮實驗室的條件，隨機從三個班各抽取20人參加實物實驗操作考試。考試時安排多名教師巡考，對每位學生完成實驗的時間、完成質量等進行詳細記錄。三組考查題目是：基爾霍夫定律和疊加原理。考查中涉及電源使用、萬用表的使用、電路連接、數據的正確讀取與處理等內容，具體如表2所示。

3.6 實驗數據分析

通過SPSS分析得出三組的平均成績（Mean列的值）如表3所示。

表 3各組平均總成績的簡單描述統計量結果

由表3可以得出，第1組平均成績高于第2組。前兩組的平均成績顯著高于第3組。

為了進一步分析第1組和第2組的差異是否顯著，對第1組和第2組進行獨立樣本t檢驗。表中的方差其次性檢驗（Levene’s Testfor Equality of Variances）結果中，顯著性概率P（即：表4中的Sig.）=0.933>0.05，表明兩個樣本的方差差異不顯著，即符合方差其次性檢驗的假設：兩個獨立樣本的方差相等。因此在后面的t檢驗中應選擇Equalvariances assumed一行的結果。另一行是方差不相等時t檢驗的結果。因此t=0.594，Sig.（2-tailed）是雙尾t檢驗的顯著性概率，本文其概率為0.555>0.05，差值的95%置信區間（95%Confidence Interval of the Difference）在-10.185-18.612之間，包括0，這兩個數據都表明兩組均值之差有顯著差異。

對第2組和第3組的成績也進行獨立樣本t檢驗，其結果如表5所示：

表中的方差其次性檢驗（Levene’s Testfor Equality of Variances）結果中，顯著性概率P（即：表5中的Sig.）=0.337>0.05，表明兩個樣本的方差差異不顯著，即符合方差其次性檢驗的假設：兩個獨立樣本的方差相等。因此在后面的t檢驗中應選擇Equalvariances assumed一行的結果。即：t=4.263，Sig.（2-tailed）概率為0.000<0.05，差值的95%置信區間在13.774-39.168之間，不包括0，這兩個數據都表明兩組均值之差有顯著差異。

由實驗數據得到結論：第1組 “實物+仿真”組的總體成績好于第2組“實物”組的總體成績，而這兩組的成績都顯著好于第3組“仿真”組。

同時，我們對各小組的兩道題各自的得分進行分析，他們各自的平均分如表6所示。從該表可以看出，盡管三個組的總成績存在較大差異，但每組的第一題平均得分都顯著高于第二題。原因是兩道題的難度相差較大（第一題是基礎題，按照步驟操作即可，第二題則需要靈活變通，更體現學生舉一反三的能力）。進一步分析每道題的最高分可以發現，各小組在第一題上面最高分上相差較小，分別為：50分、50分、45分，表明各組在選擇所需電源值、正確接入電源和搭接基本電路等方面都較熟練。而第二題中，最高分相差顯著，分別為：50分、20分、0分。其中第3組“仿真”組在第二題的得分全部為0分。由于仿真實驗組對實物元件和實驗臺的不熟悉，使得對稍加變化的實驗電路，基本不能進行實驗，更不能靈活變通。

表 6各組兩道題的平均得分的簡單描述統計量結果

從三個實驗組的分數折線圖可以清楚的看出，第一組在第二組、第三組的上方，而第三組在最下方。從不同實驗考核項目得分情況分析，第一題的第一項、第二項由于實驗項目比較簡單三個組的差距不大，第一題的第三項、第二題的第一項、第五項實驗項目要求比較高，三個小組的差距明顯。實驗結果符合預期。

圖 3三個小組的實驗分數折線圖

通過對實驗數據的SPSS數據分析，并結合對各實驗組學生的隨機訪談，我們得出以下結論：

（1）仿真實驗方式的優勢與不足：優勢主要有：仿真元器件、實驗儀器豐富，實驗精度高、效率高，無消耗，能夠最大限度地發揮學生自主探索學習的潛力，尤其是對基本理論和實驗原理的學習。其不足是實驗的真實感不夠，實驗結果近以理想，而實物實驗會遇到許多意想不到的情況，存在思維的盲點。顯然，仿真實驗不能替代實物實驗。

（2）實物實驗方式優勢和不足：優勢主要有：真實、實驗中隨機出現的問題，對于培養學生的分析和解決實際問題的能力，對于學生養成嚴肅認真、嚴謹求實的學習和鉆研態度有著不可替代的作用。其不足在于，實驗受時間、地點、元器件、實驗儀器等客觀條件限制。

（3）實物實驗方式與仿真實驗方式相結合的實驗方式：實物實驗方式與仿真實驗方式二者的結合，既給予了學生很好練習的自由探索學習的環境，又保證了學生對實物實驗的感知能力。既發揮實物實驗和仿真實驗二者的優勢，又克服了二者的不足，是一種提高電路課程實驗教學質量更有效的實驗方式。

4 教學建議

（1）實物實驗之前，先進行仿真實驗，掌握實驗的基本原理、主要步驟和關鍵環節，模擬實物實驗中常見的故障，使學生實物實驗中遇到類似故障，可更有效的解決，從而提高實驗效率。

（2）整個實驗中，實物實驗應占實驗教學的主體部分，仿真實驗應作為實物實驗的“預熱”、“補充”和模擬訓練的輔助過程，最終目的是培養學生的實物實驗能力。

（3）在實驗內容上，仿真實驗做哪些，實物實驗做哪些、他們的交集是哪些，時間如何分配等，教師都應根據實驗項目的教學目標、要求和具體內容來加以確定，以達到教學最優化為目的。

5 結束語

計算機仿真技術的飛速發展，以及在電子電路實驗教學中的廣泛應用，為改革電子電路實驗課程教學創造了很好的條件。如何使實物實驗與仿真實驗有機結合，做到揚長避短，優勢互補，以促進電路實驗教學質量的不斷提高，是值得不斷研究的課題。

西南大學教學改革支持項目。項目編號：104250——20710107

參考文獻

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