基于虛擬仿真平臺的高職《電路分析》課程設計與開發

張濤

摘要：《電路分析》課程是電氣信息類專業的基礎課程，其主要任務是討論線性、非時變、集中參數電路的基本理論和分析方法，掌握電路的基本概念，基本原理，提高分析能力，是后續課程的基礎。作為高職院校的學生來說，他們往往對于直觀的知識更容易理解，而對于抽象的數學運算不太感興趣，且運算能力較弱。針對高職學生的學習特點及高職《電路分析》課程的教學要求，將課程教學的重點放到基本定律的理解，引入虛擬仿真軟件作為教學的支持工具，將所有的數學計算轉換為電路的搭建、參數的設置與輸出結果的觀察，使枯燥的數學運算轉化為生動形象可以動態展示的電路模擬圖，從而提高學生的學習積極性。

關鍵詞：電路分析；虛擬仿真；課程設計與開發

引言

近年來隨著各類各級高校招生規模的擴大以及高考生源的連年下降，使得當前很多高職院校的入取分數線直線下滑，以至于高考兩百分的學生也能夠有機會參與到高等教育之中。一方面體現了我國當前高等教育的普及化程度逐年提高，能夠對整體國民受教育程度進行提升；另一方面也出現了一些比較嚴峻的問題，特別是理工科相關專業的教師在授課過程中會發現，對于高中知識掌握并不好的學生來說，學習《電路分析》這一類的課程，會出現很大的厭學情緒，特別是對于高中階段讀文科的同學來說，更是一個巨大的挑戰。

在這樣的情況之下，如何能夠在不減少教學內容、不降低教學要求的基礎上讓學生對所學內容能夠產生較大的興趣，從而完成整個教學計劃與內容成為廣大高職教育工作者所迫切需要解決的一個問題。

直觀與形象的教學方式往往為這一類學生所喜聞樂見，通過引入虛擬教學軟件，將抽象的電路計算轉化為形象的電路搭建、參數設置及輸出結果的觀察，能夠更好的吸引學生的注意力，從而提高學生的學習積極性，達到教學目標，完成教學任務，并為后續的課程學習奠定基礎。

1 本課題研究所基于的虛擬仿真軟件介紹

以上的幾種軟件都有課程講授過程中有所應用，并將軟件的使用融入到課程教材的內容之中，在《電路分析》課程的教學過程中起到了一定的作用，特別是在實訓課程中解決了實訓資源不充足的問題，為學生對本門課程的學習提供了良好的平臺。

在課題研究過程中，我們發現在電氣自動化及相關專業的學生中，個人擁有電腦的數量較少，特別是在一年級學習階段，每班所擁有的電腦數量不超過3臺，因此學生在課后往往很難利用虛擬仿真軟件進行練習與學習。同時，現在智能手機的普及率已經非常高，幾乎每名同學都擁有一臺智能手機，為此在虛擬仿真軟件的選擇上以手機平臺為主要載體進行選擇。

當前常用的手機平臺電路仿真軟件有《電子電路仿真和設計—iCircuit》、《電子電路模擬器—EveryCircuit》、《超級電路仿真軟件—Droid Tesla Pro》等仿真軟件。

1.1 電子電路仿真和設計—iCircuit[5]

iCircuit是一款電路仿真設計程序。其先進的模擬引擎可以處理模擬和數字電路，并提供強大的實時分析的功能。無論你是學生，計算機業余愛好者還是工程師，這都將是你最好的模擬工具。你可以使用它將任何支持的仿真元器件連接在一起，并各自設置其屬性。

iCircuit不像其他的模擬程序需要靜止測量或者花費很長時間來設置參數。僅需簡單的幾步操作，就可以媲美花費很多時間連接好的實際電路！我們提供了超過30種元件來建立你的仿真電路，從簡單的電阻、電容，到MOS管、FET管和數字門元件，一應俱全。

模擬程序可以使用模擬的萬用表來探測電路的參數，并即時顯示電壓和電流。如果你想看到電路參數如何隨著時間的推移而變化，你可以使用內置的示波器來觀察。我們的示波器還支持同時跟蹤多個信號并描繪在同一個坐標系中，非常易于觀察比較。

1.2 電子電路模擬器—EveryCircuit[6]

EveryCircuit是一款電子電路模擬工具，可以建立任何電路，點擊播放按鈕，就能夠觀看動態的電壓和電流的動畫。軟件功能：+動畫電壓波形和電流流+模擬控制旋鈕調整電路參數+自動布線+示波器+無縫DC和瞬態仿真+單播放/暫停按鈕控制模擬+保存和加載的電路原理圖+移動從地面建造的仿真引擎+直觀的用戶界面+沒有廣告組件：+源代碼，信號發生器+電阻器，電容器，電感器+二極管，齊納二極管，發光二極管（LED）+ MOS晶體管（MOSFET），+雙極結晶體管（BJT）理想運算放大器（運放）+數字邏輯門，OR，NOT，NAND，NOR，XOR，XNOR。

2 本課題研究的目的、意義

針對當前高職教育中所遇到的各種現狀與問題，對教學內容與教學方法進行適當的改革，從而更好的滿足高職教育的要求，為后續課程奠定較為扎實的基礎。

（1）在培養學生電路知識與計算能力的基礎上，更加重視學生的動手能力與觀察能力，將原來的分析電路與計算電路數據轉化為搭建電路與觀察電路數據，降低本課程對學生的高中物理與數學知識的要求。

（2）選擇一種更加容易上手且跨平臺使用的虛擬仿真平臺，使得學生能夠比較容易掌握軟件的使用方法，而且不用局限于計算機平臺，從而讓學生能夠在課上與課下都能進行學習與練習。

（3）為學生將來進行復雜電路的設計奠定一定的軟件使用經驗與EDA的基本設計方法。

通過本課題的研究與實施，使得當前學生的學習現狀進行一定改善與提高，培養學生的學習興趣、提高學生的學習能力，為相應后續課程的學習奠定較為扎實的基礎，從而提升學生的專業知識與專業技能，提高學生的就業競爭力。

3 本課題的主要研究工作

3.1 制定《電路分析》課程標準與計劃

《電路分析》課程標準包括課程簡介、課程性質與定位、課程設計思路、課程培養目標、課程內容和要求、教師任職要求、教學條件與設施要求、實施建議及附錄等九個方面的內容，其中課程內容和要求見表1。

3.2 設計《電路分析》教案

本課程的教案共有23個，主要內容包括教學目標、目標群體、教學方法、時間安排、教學過程設計、作業及教學反饋等七方面的內容。通過以上內容的規劃與設計，使得教師能夠對整個教學更好的把握，在適當的教學過程中引入虛擬仿真軟件的應用與講解，為學生更好的理解與掌握知識點奠定基礎。

3.3 繪制《電路分析》虛擬仿真電路

根據課程的進度與教學內容，對教學所使用的電路繪制了虛擬仿真電路，對課本中的例題及課后習題也進行了詳細的仿真與實現。在教學過程中，首先由教師對所學內容或所要運算的題目進行講授，然后由學生自主繪制虛擬仿真電路，通過對學生繪制的電路圖進行點評及教師所做標準電路的分析，使得學生能夠深入掌握所學知識點。

4 結論

本課題從教學內容的確定，到教學手段的選取以及教學方法的使用都進行了改革。從教學內容來說，在原有課程體系基礎上針對高職學生的學習能力與基礎知識的掌握情況，適當補充一些基礎性的知識與內容；同時針對后續課程的需要，調整一些現有課程知識內容的體系與難易程度；從教學手段來說，將原來更多的關注學生對電路的分析與計算能力培養，過渡到對學生使用軟件進行電路的搭建與觀察的能力。

通過本課題的研究與實施，對于高職教育中《電路分析》課程的原有授課模式進行了一定程度上的改革，將過去以理論計算為主體的教學模式轉化為以動手搭建電路、設置電路參數、觀察電路運行效果的行動型課程。學生在學習過程中的積極性明顯得到提高，學習效果得到明顯的改善，同時使學生對電路的概念與功能能夠獲得更加直觀的了解，為后續課程的學習奠定了扎實的基礎。