基于EDA 技術的電工電子技術課程的教學探索
——以NI Multisim 軟件實施為例

2020-11-15 09:56:40

福建教育學院學報 2020年10期

（福建船政交通職業學院信息工程系，福建福州 350007）

《電工電子技術》課程是福建船政交通職業學院電子信息工程技術專業學生必修的一門專業基礎課，70 學時，是一門實踐性很強的技術平臺課。為了支撐后續專業課程，如“微機原理與接口技術”“單片機原理及應用”“LED 原理及應用”“顯示技術”等的學習，教學內容涵蓋三大部分：電工電路、模擬電路、數字電路，具體分為9 大模塊：直流電路、電路暫態分析、正弦交流電路、三相交流電路、半導體二極管和三極管、基本放大電路與集成運算放大電路、直流電源、門電路和組合邏輯電路、觸發器和時序邏輯電路。課程內容涉及的理論知識較多并且比較難，學生反映不好掌握。

一、高職院校電工電子技術課程教學現狀

（一）學生特點

現在高職院校學生生源普遍多樣化。中職生源學生數理化方面的知識較薄弱，對學好這門課程的理論部分缺乏自信心；普通高中生源學生因沒實際接觸過電子元件，對實踐部分無從下手，容易產生逃避心理。原有的傳統教學模式，希望在有限的課堂時間內讓學生掌握更多知識，會按照教材進行大量的理論知識講解，中職生源學生對部分較難理解的理論知識囫圇吞棗，日積月累，慢慢地失去學習興趣，最終自我放棄、消極對待。普高生源學生一遇到實驗，看到一堆電子元器件，不知所措，實驗成功率較低，礙于面子，慢慢地能躲則躲，越來越被動。若能找到一種教學方法改正兩種生源學生各自的學習弱點，合理引導他們在學習中互為補充、相互配合，發揮各自優點，定能提高教學效果。

（二）電工電子技術課程教學現狀

目前，大部分教師還是利用課程教材相關教學PPT 文件按傳統模式進行教學。傳統教學模式主要以教師為中心學生被動接受，該模式的優點是有利于教師發揮主導作用，有利于教師對課堂教學的組織、管理與控制，有利于理論知識的高強度集中傳授。［1］但它往往忽略了學生的主動創造性和主體認知作用，限制學生發揮想象力，特別是一些微觀世界現象或內部構造復雜的理論知識，學生在原有知識的基礎上難以建構新的知識。電工電子技術是一門理論指導實踐，在實踐中進一步理解理論的課程，理論與實踐并重，但從高職教育的特點以及就業導向考慮，重在培養學生實踐動手能力。但實際教學中由于學生理論知識不扎實，又受到學時與實驗場地限制，實驗無法開展太多，并且多數實驗內容是根據已知原理圖搭建實物圖進行理論知識驗證，往往造成學生認為實驗只是簡單的電路接線和結果測試。比如在實驗教學過程中，考核學生各電子元件在搭建的實物電路板中的功能或如何快速判斷電路搭錯范圍時，學生無法運用所學知識解析，往往拖長排錯時間。因此傳統教學模式不完全適于高職院校電工電子技術課程教學，無法培養學生的綜合應用能力與解決實際問題的創新能力，應該對原有的教學方法進行改革。

二、基于EDA 技術的仿真教學法

EDA 是電子設計自動化（Electronic Design Automation）的縮寫，它以計算機為工具，設計者通過EDA 軟件平臺，完成各類電子系統的設計、仿真、直至特定目標芯片的設計。［2］在教學中引入EDA 技術是使用EDA 的軟件平臺，如Multisim，Proteus 進行教學仿真。仿真教學也稱為模擬教學，就是用計算機來模擬真實自然現象或社會現象，［3］是一種將理論與實踐相結合的新教學手段。它與傳統的現場教學法有異曲同工之處。現場教學法是直接在實習基地和模擬現場進行教學，邊講邊做。這種教學方法的好處是直觀性強，可把所學知識馬上付諸于實踐。［4］但在實際應用中，由于搭建電工電子技術所需的實習基地或模擬現場需要大場地和大量實驗設備，所需成本較高，此教學方法不容易實現。再者，目前計算機技術與多媒體技術的高速發展，人類知識以文字、圖形、圖像、動畫、音頻、視頻等多種形式呈現并傳播，人類可以發揮不同感觀獲取知識。據教育學家研究表明，人類接受知識主要是靠視覺和聽覺，就其比例來說，視覺占83%，聽覺占11%，味覺占1%。［5］在記憶方面，只聽不看的，三天后留下的印象是15%；邊聽邊看的，三天后留下的印象是75%。［6］因此，在電工電子技術課程教學過程中如果能把理論知識以圖形圖像或動畫視頻方式呈現，學生邊聽邊看，就能夠得到更好的學習效果。仿真教學法通過仿真不僅能為學生提供近似真實的訓練環境，［7］又能呈現事物動態變化過程，因此，在很大程度上能彌補客觀實驗條件的不足，是傳統教學方法的有利補充。

三、應用NI Multisim 軟件實施仿真教學舉例

NI Multisim 軟件是美國國家儀器有限公司（NI）推出的基于Windows 平臺的仿真工具，［8］適用于包括電工電路、模擬電路、數字電路、單片機仿真電路、電路故障診斷應用電路等多種電子電路的設計、測試及特性分析。該軟件的元件庫器件數量多，虛擬儀器有20 多種，可建立虛擬實驗室，鑒于該軟件的優勢，在電工電子技術課程理論教學中引入基于Multisim 軟件的虛擬仿真演示，把抽象知識具體化，并促進課程理論與實踐環節的有機融合。［9］課程教學模塊“電路暫態分析”中，主要圍繞電容、電感在暫態電路中的特性展開。暫態過程對電路的影響大，但它發生時間短，為提高學生對該知識點的具體認知，應該在課堂教學中向學生具體展示實驗過程與結果，但調試過程會比較長，影響整個教學進程。因此，在本模塊教學中引入多個仿真演示，以下就以一階RC 電路應用教學內容為例，介紹利用Multisim 的虛擬仿真進行教學改革的具體實施過程。

學生獲取知識的途徑大部分是通過聽覺，大部分學生反映知識比較抽象，在學習這一知識點的過程中沒有實感，不好理解以至于很容易忘記推出的結論。因此，在理論課堂教學中引入Multisim 仿真一階RC 電路的實際應用，模擬實驗環境，以動態的形式呈現教學內容，讓學生通過更多視覺刺激獲取知識。圖1 左邊電路是一階RC 積分電路，圖1 右邊是相應的波形圖。圖1 左邊電路的電阻與電容各取最大值的30%，這個值在仿真過程中可以隨時調整，“XFG1”是信號發生器，在該電路中，信號設置為矩形脈沖波，頻率1kHz，占空比50%，幅度2.5V，偏置2.5V，即輸入信號是5V/1kHz 的方波信號。［10］示波器輸入通道A 接信號發生器，即顯示方波信號；通道B接電容兩端，即顯示電容兩端電壓變化波形。通道A、B 的連接線顏色可自行選擇，此時我們為通道A 默認選擇黑色，通道B 選擇紅色，即電容充放電波形為紅色，目的是為了更清晰地進行波形對比。實際仿真過程中，圖1 到圖4 的所有波形圖都是沿水平t 軸動態變化的圖形。從圖1 右邊的動態波形圖中可以很容易觀測到，當方波為高電平時，電容此時處于充電狀態，反之，方波為低電平時電容放電。此時脈沖寬度tp=0.5T=0.5/f=0.5ms，τ=0.3*103*0.3*10-6=0.09ms，tp>τ，電容充放電速度較快。還可以從波形圖看出，在高低方波的末尾，兩種波形有一段重疊，即方波還未從高電平跳到低電平時，電容已充電完畢；反之，放電波形也有重疊現象。通過調整R、C 參數改變電路時間常數，得到不同的輸出電壓波形圖。如圖2 所示，τ=1*103*1*10-6=1ms，當方波脈沖電壓從0 跳變到5V 時，電容開始充電，由于此時τ>>tp，電容兩端電壓增長緩慢，還沒達到5V 時，方波脈沖電壓已經從5V跳變為0，電容開始放電，還沒放電完畢，方波脈沖電壓又跳變為高電平，輸出端得到一個近似鋸齒波電壓。此時，可以告訴學生，在脈沖技術實際應用中，需要將矩形脈沖信號變為鋸齒波信號就是應用此類積分電路。圖3 左邊電路與圖1 電路一樣，只是選擇電阻兩端電壓作為電路輸出電壓，稱之為微分電路。此時，tp還是為0.5ms，τ=0.75*103*0.8*10-6=0.6ms，此時τ>tp。調整R、C 參數，可以得到不同的電壓波形。當τ=2*103*1*10-6=2ms>>tp時，輸出電壓接近輸入電壓波形，如圖4 左邊所示。此時，可以告訴學生，此電路常用于多級放大電路的阻容耦合電路中，阻容耦合電路將在此課程的后半部分學到，學習電子技術知識需要電工知識的支撐，不要再質疑為何要學習抽象的電工知識了。當τ=0.1*103*0.15*10-6=0.015ms<

圖1 積分電路與波形圖

圖2 鋸齒波形圖

圖3 微分電路與波形圖

圖4 時間常數不同時的輸出電壓波形圖

圖5 測試幅頻特性電路

圖6 測試幅頻特性電路

為拓展RC 電路知識，在圖1 所示電路中，把示波器換成博德圖儀（Bode Plotter），如圖5 所示，分別測試R、C 的幅頻特性。博德圖儀水平軸設置為線性形式，初始值和最終值分別為1Hz 和1kHz，垂直軸設置為線性形式，初始值和最終值分別為0 和1，“XBP1”和“XBP2”分別測試電容C、電阻R 的幅頻特性，得到如圖6 所示的幅頻特性圖。從圖6 的左圖看出，由于電容的容抗與頻率成反比（ZC=1/2πfc），其輸出響應幅度隨著輸入信號掃描頻率從低到高不斷下降；電阻阻抗與頻率無關，此時高頻分量主要加在電阻上。因此一階RC 電路具有高通（電阻輸出電路為高通電路）或低通（電容輸出電路為低通電路）的濾波特性。電容與頻率關系知識點在之前講解電容特性時已經學過，此時通過電路仿真能夠鞏固并拓展已學知識，進一步加深學生知識記憶。