Proteus仿真在“電路”課程教學中的應用

摘要：針對“電路”課程具有概念抽象、器件邏輯功能難以理解等特點，提出將Proteus仿真軟件融入到課堂理論教學中，利用該仿真軟件對教材中的電路實例進行仿真分析計算，課堂理論教學與仿真技術結合，使講授的理論知識能夠直觀、形象地展現給學生，提高學生的學習興趣，增強了學生對元器件的理解能力。調查表明：在“電路”課程教學中應用Proteus仿真軟件，有效地提高了教學質量。

關鍵詞：電路；Proteus仿真；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）12-0055-02

“電路”課程是高等學院理工科學生必修的一門基礎教育課程，是電類本科生的一門專業基礎課。學生普遍認為，電路知識抽象，難以理解各種元器件在電路中的運行特性，尤其是涉及到實際電路時，難以將理論課所學的電路知識解決所遇到的問題。[1-3]針對此，將Proteus仿真軟件引入到電路課程的教學中，將抽象的電路以動畫的方式演示給學生，讓學生能“理論電路聯想實際電路”，使理論簡單化、教學過程生動化，同時激發起學生濃厚的學習興趣。[4，5]實踐證明，將Proteus仿真軟件與傳統的理論教學方式相結合有助于提高學生電路知識的學習能力和應用能力。

一、課程教學中存在的問題

電路課程內容比較抽象，課時安排比較緊湊，學生普遍感到知識抽象，難以理解電路元件的原理功能，難以掌握器件的外部特性，尤其是涉及到器件如何應用，如何利用所學器件設計實用電路時顯得無從下手。大部分學生學習電路知識只是停留在知識的堆砌上，而沒有將應用作為重點掌握。特別在電路實驗中，學生不能將理論聯系實驗。在現在的教學方式中，任課教師、實驗指導人員存在著一定的問題。

第一，多媒體利用空間不夠?，F在的教學手段一般為多媒體，從反饋程度來看，學生掌握知識的程度并未達到預期目標。經分析有以下原因：采用多媒體教學手段進行課堂教學，有時教師未考慮到學生的反應時間，畫面的切換過快，沒有充分考慮到學生的思維水平和思維上的速度，長久下來影響了教學效果。電路課程中定理和公式較多，單純在多媒體上推導，學生往往會一知半解。

第二，實驗以驗證性實驗為主。電路是一門動手實踐性極強的課程，現在多采用驗證性實驗形式。學生根據實驗手冊所提供的實驗步驟連接電路圖，再加以測量就完成了。在這種實驗方式中，學生不能夠處于主動思考的地位，因此不利于培養他們獨立思維和創新的能力。

第三，對于需要完成項目或者課程設計的學生，如何能快速評估電路設計是否正確。在傳統的電子設計流程中，先是選定題目，確定方案，然后設計電路圖、購買元器件、制板、調試，最后進行測試。如果未能達到設計要求，這個過程就要反復進行。然而，對于一般在校學生，這些步驟往往是難以實現的。因此，借助于EDA軟件，在原理圖設計階段就可以對設計進行評估，驗證所設計的電路是否達到設計要求的技術指標，而且可以通過改變元器件參數使整個電路的性能最優化。這樣就無須多次購買元器件板、制版、焊接測試調試等，節省了設計時間與經費，提高了設計效果和質量。

第四，隨著高校招生規模的擴大，學生人數的增多，教師很難顧及到每個學生的學生情況，因此，提高每一個學生的學習興趣，增強學生學習的主動性顯得尤為重要。

二、Proteus在電路教學中的應用

電路課程包括電路的基本概念、基本元件、電路的基本定律、變壓器件等等。Proteus仿真軟件為電子電路仿真提供了豐富的元件數據庫，同時提供了種類多樣且標準化的仿真儀器，比如萬用表、示波器等等。在課堂上引用仿真軟件可以幫助學生有效地接收理論知識，更好地掌握教學內容，并能熟知相關實驗儀器，提高課堂質量。以電路中的“線性電路的暫態分析”為例，分析利用Proteus輔助理論教學電路仿真情況。

1.暫態過程產生的原因仿真與分析

實際電路的工作狀態總是發生變化的，導致電路從一個穩定狀態轉換為另一個穩定狀態。將電源的接通或斷開、電壓或電流的改變、電路元件的參數改變統稱為換路。由于電感和電容是儲能元件，在換路時，儲能元件的能量儲存和釋放不是一瞬間完成的，而是要經過一定的轉換過程，這個過程稱為暫態過程或過渡過程。Proteus仿真軟件提供了電阻、電容、電壓表、電流表等元件。課堂教學中利用這些元件展示電路的運行過程與結果，可以改善課堂的氣氛和提高學生的學習熱情。圖1給出了電容充放電過程的仿真電路圖。電路中的電容電壓的變化用示波器進行觀測。通過觀察仿真中的示波器波形可得，電容在充電和放電的過程中，電壓表和電流表的變化都需要一個過程而不能躍變。由此形象地說明在含有儲能元件的電路中，由于儲能元件的能量在換路時不能躍變，所以電路才會出現暫態過程。

2.暫態過程初始值和穩態值的確定與分析

由以上可知，電容電壓和電感電流不能發生躍變。研究電路暫態過程的變化要確定兩個數值，一個是暫態過程的開始值，即初始值；一個是暫態過程結束后的穩態值。初始值的理解對學生而言較為抽象，借助仿真軟件，圖2給出了換路前，電容電感的初始值分析電路圖。在此電路圖中，可以讓學生通過觀察電壓表和電流表的讀數，直觀地看到在穩態時電容相當于斷路，電感相當于短路的特點，且形象地說明了在換路瞬間，電容相當于恒壓源，電感相當于恒流源，從而求解出換路后瞬間的初始值。暫態過程結束后，電路進入一種新的穩定狀態，此時的值就是穩態值。與初始值一樣，穩態值是分析一階電路暫態過程的重要因素。穩態值的確定同樣可通過控制圖1中的開關，觀察萬用表的讀數即可求得穩態值。

3.討論

以上是在課堂理論課中穿插的仿真實驗，給學生帶來了耳目一新的良好效果。在講授的過程中，同學們熱情高漲，并對Proteus軟件產生了極大的興趣。希望利用此軟件進行電路設計與仿真。針對此，隨后向學生布置了相關作業，不少同學可以自行在網上下載并安裝軟件，并且對電路調試成功。不少同學認為，利用Proteus軟件進行仿真實驗，不僅對課堂中所涉及的電路有更深層次的理解和掌所致，更對培養實踐能力和創新能力有很大的幫助。

三、Proteus在電路實驗中的應用

Proteus軟件可以對模擬電路、數字電路、模擬混合電路、單片機及外圍元件進行系統仿真，并提供簡單易用的印刷電路板設計工具以及提供了豐富的測試信號用于電路測試。借助Proteus軟件，不僅有助于科研開發、電路教學、課程實驗以及電子設計競賽的開展，而且使得從事該行業的專業技術人員加快電路系統開發的速度，從而達到節約開發成本和提高電子產品開發的效率的目的。因此，基于以上原因，利用Proteus可以有效地促進電路實驗的進行。學生可以在進行實驗時前行預習仿真，進一步理解實驗的原理并得知實驗結果。在進行實際實驗時，即可縮短實驗時間，也可在相同的課時分配下，更好地擴展實驗內容。同時還可以避免因學生操作方面的失誤而導致設備的損壞或人員傷害，從一定程度上節約維修和更換器件的費用。

四、教學效果分析

1.課堂和實驗效果分析

借助電子仿真平臺Proteus設計電路課程中的電路實例，并且進行仿真驗證，有效解決了課堂教學環節中存在的“憑空想像”的難題。通過仿真設計和教學實踐，學生在課堂上積極主動地進行思考和回答問題，對學習充滿興趣，能夠在老師的引導下主動構建實際電路的運行和流程，并可以提出問題。除了課堂中的學習，在電路實驗課中學生的動手能力明顯提高，能獨立主動地完成實驗內容，將仿真與實際相結合，部分同學還可以完成選做實驗部分。

2.作業和考試成績分析

通過學生所提交的作業可以看出，學生發揮了主觀能動性，在課后利用計算機自行仿真驗證計算結果是否正確，作業的準確率大大提高。部分同學還針對仿真結果與理論結果進行分析，提出多種答題方法。學生在完成作業的過程中，不僅鞏固了課堂和教材上的內容，還自發引入其他課程的信息。在這個過程中，能夠給予學生更多的嘗試機會，從而增強學生的信心，提高他們分析問題和解決問題的能力，更好地實現教學效果。期末考試成績表明引入仿真教學有利于學生成績的提高。

五、總結

總之通過課堂理論知識的講授與仿真相結合的方式，可以使抽象的理論形象化，復雜的電路實際化，使枯燥的電路特性分析變得生動形象、真實可信，讓學生在課堂中就能感受到實驗才具有的測試效果，更好地把理論與實驗聯系起來。加深了學生對課程理論內容的理解，為學生進入實驗室進行實物器件的操作奠定了基礎。盡管Proteus軟件的仿真不能完全代替硬件試驗，但Proteus軟件的仿真分析功能與精確度，是任何硬件實驗都難以達到的。再者，通過對學生的調查表明，虛擬仿真與課堂教學相結合，提高了學生的學習興趣和理解知識的能力。此外，利用Proteus開展數字電路課程中相關內容的教學，不但可以使學生掌握利用電容元器件進行硬件電路的設計，還可以為學生在學習后續課程“模擬電子技術”、“數字電子技術”、“單片機原理與應用”打下堅實的基礎，有利于提高學生系統設計的綜合能力。

參考文獻：

[1]張俊濤.電路仿真軟件在電子技術教學實踐中的應用[J].實驗技術與管理，2007，24（6）：83-85.

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[3]萬志平.仿真軟件在電類課程教學中的應用[J].實驗技術與管理，2009，26（4）：76-79.

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[5]朱清慧.Proteus電子技術虛擬實驗室[M].北京：中國水利出版社，2010.

（責任編輯：王意琴）