“卓越計(jì)劃”中電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)探索

【摘要】文章闡述了在“卓越計(jì)劃”執(zhí)行中改革電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)，采用模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，將Multisim10虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)用到電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索過程，介紹了虛擬平臺(tái)和Multisim10功能，肯定了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力方面的作用。

【關(guān)鍵詞】卓越計(jì)劃 電工電子虛擬實(shí)驗(yàn) Multisim10 模塊化

【中圖分類號(hào)】G64【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】2095-3089（2012）11-0223-02

1.引言

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（以下簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）是教育部促進(jìn)我國(guó)由工程教育大國(guó)邁向工程教育強(qiáng)國(guó)的重大舉措，旨在以實(shí)施卓越計(jì)劃為突破口，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才。

浙江科技學(xué)院是一所致力于培養(yǎng)具有實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神和國(guó)際素養(yǎng)的高素質(zhì)應(yīng)用型專門人才的大學(xué)，是教育部第一批執(zhí)行“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的高校之一。為了實(shí)現(xiàn)“卓越計(jì)劃”我校進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革創(chuàng)新。實(shí)踐教學(xué)是我校教學(xué)改革的重要環(huán)節(jié)，而電工電子實(shí)驗(yàn)課程是工科類專業(yè)的核心課程，也是最基礎(chǔ)的實(shí)踐課程，因此電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和“卓越計(jì)劃”的順利實(shí)施具有很大的影響。

在電工電子實(shí)驗(yàn)改革中，我們引進(jìn)了模塊化的實(shí)驗(yàn)理念，按專業(yè)、開設(shè)課時(shí)要求分基礎(chǔ)訓(xùn)練、綜合設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)3大實(shí)驗(yàn)?zāi)K。在各個(gè)模塊實(shí)驗(yàn)中，不是學(xué)生簡(jiǎn)單地按照教師制定的實(shí)驗(yàn)步驟方法得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而是教師提出實(shí)驗(yàn)要求、設(shè)計(jì)指標(biāo)和主要參考儀器設(shè)備元器件，需要學(xué)生利用所學(xué)的理論知識(shí)，完成實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)，列出實(shí)驗(yàn)步驟，完成實(shí)驗(yàn)和參數(shù)測(cè)試，這就需要學(xué)生反復(fù)不斷設(shè)計(jì)、實(shí)踐。使用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不夠，一旦設(shè)計(jì)不合理線路錯(cuò)誤會(huì)燒壞元器件，損壞儀器設(shè)備。而且隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，新技術(shù)和新方法不斷涌現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備儀器的更新遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上知識(shí)的推陳出新和電子技術(shù)的日新月異，這嚴(yán)重阻礙了學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。虛擬電工電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)很好地解決了上述問題。

2.電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是利用EDA技術(shù)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)用專業(yè)軟件完成電子設(shè)計(jì)、電路仿真運(yùn)行、參數(shù)測(cè)試。在計(jì)算機(jī)上做電工電子路實(shí)驗(yàn)所用的元器件、測(cè)試用的儀器儀表、導(dǎo)線以及電路連接等，全部由軟件模擬實(shí)現(xiàn)。教師可以利用虛擬元器件庫豐富的元器件方便地搭出各種電路演示給學(xué)生看，可以把最新的技術(shù)及時(shí)傳授給學(xué)生。學(xué)生隨時(shí)可以在虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行教師要求的實(shí)驗(yàn)，又可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而且只要有計(jì)算機(jī)安裝專業(yè)軟件就可以實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率以及實(shí)現(xiàn)電子電路與系統(tǒng)的EDA，電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也是當(dāng)今電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)發(fā)展方向。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的計(jì)算機(jī)仿真軟件和虛擬儀器相繼出現(xiàn)，我們?cè)陔姽る娮犹摂M實(shí)驗(yàn)教學(xué)中選用了目前國(guó)際上比較流行和得到廣泛應(yīng)用的Multisim10軟件。

3.Multisim 10軟件介紹

Multisim10仿真軟件是美國(guó)國(guó)家儀器有限公司（簡(jiǎn)稱NI公司）推出的一款專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的EDA軟件，是迄今為止在電路級(jí)仿真上表現(xiàn)最為出色的軟件。有了Multisim10軟件相當(dāng)于擁有了一個(gè)設(shè)備齊全的電工電子實(shí)驗(yàn)室，它不受時(shí)間、地點(diǎn)、設(shè)備的限制，可以非常方便的從事電路的設(shè)計(jì)、仿真、分析工作。其特點(diǎn)如下：

3.1 Multisim10具有豐富的元器件庫：教育版有13000種元器件，為學(xué)習(xí)者提供了虛擬的3D面包板實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和3D元器件庫，使用者可以方便的搭建電路并在虛擬面包板上模仿電路行為。還配備了一個(gè)功能強(qiáng)大和有完整的原理圖的元器件編輯系統(tǒng)，可以方便的編輯元器件參數(shù)和創(chuàng)建新的元器件，使得元件庫中的元件與電子技術(shù)發(fā)展同步，滿足不同層次使用者的需要。

3.2 Multisim10具有多種常用的虛擬儀器儀表：儀器庫包含了示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、IV特性分析儀、頻率計(jì)數(shù)器、掃頻儀、失真度分析儀、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換儀、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和數(shù)字萬用表、功率表等10多種虛擬儀器。配備了仿安捷倫、泰克常用品牌的虛擬儀表。還可以運(yùn)用LabVIEW實(shí)現(xiàn)完全自定義的虛擬儀器。

3.3Multisim10具有強(qiáng)大的仿真分析功能：提供二十多種分析功能。運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過仿真分析，不需要構(gòu)造具體的物理電路，也不需要使用實(shí)際的測(cè)試儀器，就可以確定電子電路的工作特性?？梢酝ㄟ^運(yùn)用仿真數(shù)據(jù)來提高測(cè)試能力，減少失誤，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，增加設(shè)計(jì)量。

Multisim10界面形象直觀、操作方便，易學(xué)易用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析、開發(fā)和創(chuàng)新能力。

4.Multisim10運(yùn)用于電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)

4.1 Multisim10在基礎(chǔ)訓(xùn)練模塊中的應(yīng)用探索

在電工電子基礎(chǔ)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，主要為學(xué)生安排的教學(xué)內(nèi)容之一是掌握電類基本的儀器儀表使用，如：示波器，毫伏表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、萬用表，電源的使用。之二是配合理論教學(xué)的原理性分析實(shí)驗(yàn)，例如：電路原理的網(wǎng)絡(luò)等效變換、RC回路的串聯(lián)諧振；模擬電路的單管放大電路性能指標(biāo)測(cè)試、負(fù)反饋電路；數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的門電路教學(xué)、時(shí)序邏輯電路的分析，555定時(shí)器的電路原理等等。這些原理性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法需要大量的儀器設(shè)備，花費(fèi)學(xué)生很多的正常學(xué)習(xí)時(shí)間才能完成?，F(xiàn)在我們可以利用 Multisim10多種常用的虛擬儀器儀表庫和強(qiáng)大的仿真分析功能，把這類實(shí)驗(yàn)安排在計(jì)算機(jī)上模擬分析。按照專業(yè)要求，電類專業(yè)選修電路、模電、數(shù)電電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的同學(xué)，基礎(chǔ)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)在課外仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成。物理儀器設(shè)備的使用，實(shí)際電子電路的連接調(diào)試在后續(xù)的綜合設(shè)計(jì)模塊中實(shí)現(xiàn)。非電類專業(yè)選修電工學(xué)實(shí)驗(yàn)的同學(xué)挑選1、2個(gè)實(shí)驗(yàn)在物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成，大部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求在課外計(jì)算機(jī)上仿真修習(xí)。學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，及時(shí)解決學(xué)生提出的問題。仿真教學(xué)打破了實(shí)驗(yàn)室空間設(shè)備的限制，突出了教學(xué)以學(xué)生為主的模式，開闊了學(xué)生的思維。

4.2 Multisim10在綜合設(shè)計(jì)模塊中的應(yīng)用探索

“卓越計(jì)劃”中為了提高學(xué)生的工程能力培養(yǎng)，在電工電子實(shí)驗(yàn)中綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目處在主要地位，教師提出設(shè)計(jì)任務(wù)，要求學(xué)生采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，先進(jìn)的器件來完成設(shè)計(jì)要求，完成產(chǎn)品的制作和參數(shù)測(cè)定。提出的綜合設(shè)計(jì)題目如：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)、電子溫度計(jì)設(shè)計(jì)、數(shù)字萬用表的設(shè)計(jì)、電子定時(shí)電路設(shè)計(jì)、電子遙控器設(shè)計(jì)等等，要求學(xué)生從多個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中選擇1-2個(gè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也可以自行擬題完成。綜合設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生自主設(shè)計(jì)。但在電子科技高速發(fā)展的今天，新器件、新材料不斷出現(xiàn)，各實(shí)驗(yàn)室由于實(shí)驗(yàn)資金的限制不可能備齊最新的實(shí)驗(yàn)器材，阻礙了綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的順利完成。而且在調(diào)試過程中一旦設(shè)計(jì)不合理，線路有錯(cuò)誤，就會(huì)造成元器件燒壞，成功的希望也隨之破滅。Multisim10電子虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有豐富的元件庫，可以創(chuàng)建最新的元件和編輯參數(shù)，有各種各樣的儀器儀表，可以反復(fù)調(diào)試、仿真，不斷修正設(shè)計(jì)，事先排除大部分設(shè)計(jì)缺陷，然后利用實(shí)際元器件模型創(chuàng)建電路，最后將二者的仿真分析結(jié)果進(jìn)行比較，使得設(shè)計(jì)更加合理。而Multisim10形象的電路仿真運(yùn)行功能和強(qiáng)大的電路分析使學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中獲得了無限樂趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

4.3 Multisim10在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)K中的應(yīng)用探索

在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)K中安排了開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和電子競(jìng)賽項(xiàng)目。如太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤控制器設(shè)計(jì)、三相正弦波逆變電源設(shè)計(jì)等等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合性更強(qiáng)，電路更加復(fù)雜，需要學(xué)生掌握的知識(shí)更加廣泛，運(yùn)用了一些集成度比較高的元器件，使用的分析儀器更加專業(yè)，常規(guī)功能的實(shí)驗(yàn)室不可能備齊各種儀器設(shè)備和大量的元器件，很難滿足要求。而Multisim10電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有邏輯分析儀，頻譜分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換儀等儀器為電路仿真提供了強(qiáng)大的保證，有豐富的元件庫，學(xué)生可以采用多種設(shè)計(jì)方案，不斷仿真調(diào)試，達(dá)到最佳設(shè)計(jì)，提高了學(xué)生的自學(xué)、探索和創(chuàng)新能力。

5.結(jié)論

實(shí)踐證明，電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)在“卓越計(jì)劃”執(zhí)行中起到了培養(yǎng)學(xué)生工程能力、創(chuàng)新能力的作用，使學(xué)生掌握了先進(jìn)的電子電路設(shè)計(jì)方法，彌補(bǔ)了硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，為學(xué)生提供了廣闊的設(shè)計(jì)平臺(tái)，提高了學(xué)生工程實(shí)踐能力和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

但是仿真實(shí)驗(yàn)只存在于虛擬實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)的最宗目的還是以產(chǎn)品形式體現(xiàn)，我們的學(xué)生所缺乏的實(shí)際操作能力是無法用虛擬仿真來獲得的。因此，將虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)有機(jī)的結(jié)合，實(shí)踐與理論相結(jié)合，培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才是我們努力的方向。

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作者簡(jiǎn)介：

裘君英（1962），女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，浙江杭州人，主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)與自動(dòng)化。