Proteus虛擬仿真在“電工電子技術”理實一體化課程教學中的運用

湖北交通職業技術學院 馮雪姣 劉 杰 陳茂林

近年來，針對學生普遍在電工電子領域成績不理想，興趣一般的問題，在《電工電子技術》基礎課程上下足了功夫，將傳統的理論課改為理實一體化，現在又引入Proteus虛擬仿真還原電路實際模型，這一系列舉措，為學生專業知識的學習奠定了基礎，教學質量也到了明顯提升。

“電工電子技術”是一門非常重要的基礎學科，不論是汽車制造技術類專業、機電智能制造類專業，以及航空飛行制造類專業，“電工電子技術”都是其核心專業基礎課程。一個學生能不能很好地掌握電工電子技術知識，決定了學生在與之相關專業能走多遠。目前大多數高職類院校電工電子理實一體化課程教學普遍采用理論教學加實操，大部分實操主要是通過固定的試驗臺接線完成，但對于電路模型比較抽象的分析還是無法值觀展現，如果能在“電工電子技術”理實一體化教學過程中對Proteus虛擬仿真加以運用，就將給學生的學習帶來不一樣的學感體驗。

1 什么是Proteus虛擬仿真

Proteus虛擬仿真是一種模擬技術，用一個系統模仿另一個真實系統的技術，該軟件不僅具有EDA工具軟件的仿真，還能夠仿真部分復雜電路的外圍器件。它可以從電路原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，還能一鍵切換到PCB設計，可以實現概論到產品的完整設計，是目前唯一能將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬仿真軟件三合一的設計平臺。其極強大的功能能夠幫助電氣類初學者打通認知需求，也可以為有創造能力的同學們提供一個良好的軟件平臺，幫助他們更進一步完成他們的需求。則將Proteus虛擬仿真引入我們的《電工電子技術》課程教學十分有必要，它可以讓學生能夠較清晰的認清電路間各個電路元器件的關系以及電流電壓分配關系等，讓學生通過自主學習和創新，模擬和弄懂多種電路模型。

2 “電工電子技術”理實一體化教學的現狀

電工電子技術的基本知識包含很多知識點，主要有直流電路、正弦交流電路、二極管電路、三極管電路、直流穩壓電源、門電路和組合邏輯電路等。該課程作為專業基礎課主要目的是培養學生掌握電路的分析方法，使學生能夠利用所學知識解決實際問題，最終將知識升華到可以自主設計電路進行創新實踐。但是，在理實一體化教學過程中卻碰到了很多問題。

2.1 課程偏理論，學生被動學習

該課程在進行理實一體化教學之前，傳統教學方式都是用PPT“填鴨式”教學。因為電工電子課程中很多的定律、法則和公式，伴隨著大量的計算分析，過程中的電流、電壓等參數變量又看不見摸不著，整個學習偏理論，導致學生學習興趣低，主動學習積極性差，課堂上又缺乏獨立思考，導致創新能力無法提升。

2.2 理實一體化教學設備不足

由于電工電子為專業基礎課，現有的大部分電工電子實訓室都需要滿足全校該實訓課程需求，在教學安排上困難重重。特別是理實一體化會擠占大量設備儀器，這嚴重制約了電工電子技術的課堂轉型。

2.3 實驗驗證難度大

根據理論知識講解情況，安排學生進行實驗課程，學生在特定的試驗臺，按照老師要求結合電路圖進行接線，完成相關電壓、電流、電阻、功率等參數的測定。因實驗設備使用學生過多且不規范導致很多接線口損壞或接觸不良，這樣數據結果不準確，導致驗證實驗效果差。

3 Proteus在“電工電子技術”理實一體化教學中運用的優勢

在“電工電子技術”中引入Proteus進行仿真，將進一步增加學生課堂的趣味性，增強學生的感性認識，能解決之前碰到的一系列問題。

（1）解決課程偏理論，學生被動學習的問題

Proteus仿真軟件是一款較為完整的嵌入式系統設計仿真平臺，能夠實現基礎電路、數字電路和模擬電路的設計與實時仿真。書本中例題都可以采用模擬仿真的方式在電腦上再現，根據書本答案與仿真結果進行對比，從而加深理論學習的記憶，變填鴨式學習為主動驗證型學習。

（2）解決一體化教學設備不足的問題

由于人均設備比不足，學生進行理實一體化課程時，不可避免地有人動手、有人旁觀。如果讓學生自帶筆記本安裝Proteus進行仿真，也就變相增加了操作臺，可以分流部分學生進行模擬仿真操作，然后再彼此交換，完美解決設備不足的問題。

（3）解決實驗驗證難度大的問題

目前大部分學生的理論研究是弱項，但只要利用好了工具，就能很好地解決這一問題。利用Proteus虛擬仿真驗證實驗數據和電路模型分析，幫助學生對比實驗數據和結果比對，加強理論知識的驗證和自主創新設計能力的培養，為后續課程學習的學習奠定基礎。

4 Proteus虛擬仿真在“電工電子技術”理實一體化課程教學中運用的案例分析

Proteus仿真軟件操作簡單，對初學者特別適用，可以在沒有硬件支持的基礎上進行電路的設計和開發。Proteus在“電工電子技術”的有效應用，使得學生高效掌握所學知識，提高學習效率，促進理實一體化課程學習和教學改革，增強學生的自主學習興趣和創新能力。

在學習過程中，學生可靈活采用Proteus所提供的元器件仿真模型自主設計電路，同時進行仿真調試，并及時看到運行結果。這樣的教學方法讓學生既能及時了解和分析電路結構，又能鍛煉學生發現和解決問題的能力。

（1）下面對直流電路分析過程中的疊加原理為例，做出了仿真圖如圖1所示。分析線性電路疊加定理中各個支路中電流或電壓的分配情況。

（2）下面對數字電路中的組合邏輯電路的分析與設計為例，用與非門設計一個常用的三人表決器：

①根據輸入輸出分析，畫出邏輯電路圖如圖2所示；根據邏輯電路圖，繪制出電路原理圖如圖3所示。

②根據實際電路圖，利用Proteus虛擬仿真畫出事物接線圖，如圖4所示，通過演示實現三人表決器的功能。

以上實例清晰的通過理論講解到實物接線，最后再運用Proteus虛擬仿真還原真實的三人表決器這樣的真實功能，如果有興趣的同學甚至可以根據實物接線圖焊接出一個完整的實物裝置，這樣的教學過程不僅能調動學生主動學習的興趣，更能夠激發他們自主創作的創新能力。

圖2 邏輯電路圖

圖1 疊加定理的仿真實物接線圖

圖3 電路原理圖

（3）模擬電路中三極管的放大狀態的虛擬仿真，選NPN性三極管實驗如圖5所示，虛擬仿真結果可以清晰看出IB=0.02mA，IC=0.16mA，IE=0.18mA，驗證三極管具有電路放大作用：IB+IC=IE，不僅復習了電路接線還將驗證了實驗結果。

采用Proteus虛擬仿真搭建電路模型后，杜絕了元器件間連線的接觸不良及元件損壞的干擾，成功率大幅提高。并且Proteus虛擬仿真清晰直觀，測量和調試、過程和結果都十分統一，有助于學生的理解和接受，增強了學習的信心，將學生曾經的難點轉換成為興趣的點。在教學中引入Proteus虛擬仿真，不僅可以拓展開放性的教學，還可以在原來學習的基礎上，提升學生自主學習和創新設計能力。

5 Proteus在“電工電子技術”理實一體化教學中運用的效果分析

5.1 學生課堂情況

沒有應用Proteus前，學生普遍反映定律都枯燥乏味，計算過程難度大，引入Proteus進行仿真教學后，學生更易接受理論知識學習，它將抽象的學習內容形象化，通過虛擬軟件真實的動態演示，激發了學生的學習興趣和積極性，使教學質量提高明顯。學生的獨立操作能力、學習的主動性和創造力都得到了充分發揮。

5.2 學生成績情況

以往“電工電子技術”考核為理論占較大比重，且實操課程一般滯后與理論課程，很多學生還未學習到后面的知識就放棄學習，卷面成績十分不理想。但引入Proteus虛擬仿真后，將課程分為實操、理論和仿真實操三部組成，比例一致，理論知識不理解的可以即時通過仿真消化理解，再結合實操接線真正掌握所學知識，通過這樣的考核學生最終成績都有大幅提升，大部分學生對電工電子技術這門課程興趣更濃，十分期待電工電子技術相關的后續課程的開發和學習。

圖4 Proteus實物仿真接線圖

圖5 三極管放大電路仿真

結語：事實證明，學生對課程的學習效果與教師采取的教學方法有很大關系。筆者發現，在教學方式改變后，學生的學習情況明顯好了很多，整個課堂氛圍也活躍了，不再死氣沉沉，教師在課堂的幸福指數也上升了不少。Proteus確實是一個非常不錯的學習工具，下一步，筆者正在考慮，如何利用學生學習的熱情，組建社團，進一步提高學生在“電工電子技術”基礎學科上的整體水平。