虛擬仿真技術(shù)在中職電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

董昱

（廣東省羅定市中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 廣東省羅定市 527200）

1 引言

作為中職系統(tǒng)工程實(shí)踐教育的基礎(chǔ)課程之一，電工電子技術(shù)課程旨在重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力和技術(shù)運(yùn)用能力，對(duì)學(xué)生的實(shí)操和綜合素質(zhì)具有較高的要求。然而，在傳統(tǒng)中職電工電子技術(shù)教學(xué)中，受限于教學(xué)手段和教學(xué)方式的落后，電工電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)無(wú)法切實(shí)展開(kāi)大型的實(shí)踐操作教學(xué)，實(shí)踐項(xiàng)目固定且實(shí)踐手段單一，無(wú)法滿(mǎn)足電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)需求。

虛擬仿真技術(shù)的誕生為中職電工電子技術(shù)教學(xué)的優(yōu)化發(fā)展提供了全新的發(fā)展契機(jī)，通過(guò)借助仿真類(lèi)軟件和VR 技術(shù)，教師可以在教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中增加電路運(yùn)行和電路環(huán)境的教學(xué)模擬，學(xué)生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上構(gòu)建的虛擬平臺(tái)和虛擬仿真設(shè)備可以進(jìn)行逼近真實(shí)環(huán)境下的電工電子實(shí)踐操作。虛擬仿真技術(shù)的有效應(yīng)用為中職電工電子技術(shù)教學(xué)開(kāi)辟了廣闊的發(fā)展空間，深入研究虛擬仿真技術(shù)在中職電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用對(duì)提升中職電工電子技術(shù)教學(xué)水平具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 虛擬仿真技術(shù)的基本概念和應(yīng)用意義

2.1 虛擬仿真技術(shù)的基本概念

虛擬仿真技術(shù)是一種典型模擬技術(shù)，通過(guò)深度結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)以及通信技術(shù)，利用仿真類(lèi)技術(shù)軟件，構(gòu)建虛擬仿真的模擬場(chǎng)景，通過(guò)技術(shù)控制實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)真是場(chǎng)景的虛擬呈現(xiàn)，進(jìn)而便于操作人在模擬仿真的環(huán)境下進(jìn)行相應(yīng)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、試驗(yàn)或技術(shù)訓(xùn)練。虛擬仿真技術(shù)是多項(xiàng)現(xiàn)代技術(shù)的融合體，通過(guò)人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)圖形、傳感技術(shù)以及人工智能等技術(shù)的植入實(shí)現(xiàn)虛擬信息處理，進(jìn)而達(dá)到三維信息處理的效果，并通過(guò)數(shù)學(xué)模型的搭建實(shí)現(xiàn)具體環(huán)境模型的集成化和仿真化處理，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 虛擬仿真技術(shù)在中職電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用意義

中職電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)是一門(mén)十分偏重實(shí)踐的應(yīng)用型學(xué)科，傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備以及環(huán)境等因素的限制具有較大的局限性，不能夠滿(mǎn)足現(xiàn)代人才培養(yǎng)理念對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求。虛擬仿真技術(shù)在中職電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用能夠幫助中職電工電子專(zhuān)業(yè)實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式上的創(chuàng)新發(fā)展，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)的相關(guān)軟件和VR 技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真場(chǎng)景，學(xué)生通過(guò)更加貼合實(shí)際環(huán)境下的電工電子模擬訓(xùn)練能夠更加高效的將所學(xué)的專(zhuān)業(yè)技能轉(zhuǎn)化成為應(yīng)用實(shí)踐能力，通過(guò)模擬操作能夠幫助學(xué)生在不斷的技術(shù)錘煉過(guò)程中解決不同電工電子的實(shí)操問(wèn)題。

3 虛擬仿真技術(shù)在中職電工電子技術(shù)教學(xué)應(yīng)用的技術(shù)分析

3.1 Multisim仿真軟件的應(yīng)用分析

Multisim 仿真軟件是一款十分適用于中職電工電子技術(shù)教學(xué)的虛擬仿真軟件。電子電工技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生在就業(yè)工作之前需要深度掌握相關(guān)電路知識(shí)和電路實(shí)驗(yàn)原理，而中職電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)教師通過(guò)結(jié)合Multisim 仿真軟件能夠?yàn)閷W(xué)生提供多種電路器件的模擬仿真操作，學(xué)生通過(guò)Multisim 仿真軟件可以獲得大量的模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，進(jìn)而全面提升電路知識(shí)和電路實(shí)驗(yàn)的實(shí)操能力。

當(dāng)前較為常見(jiàn)的Multisim 仿真軟件為Multi-sim10 版本，該版本新增了“實(shí)驗(yàn)面包板”功能，該功能能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)與電路實(shí)驗(yàn)完全一樣的模擬操作場(chǎng)景，使學(xué)生對(duì)電路知識(shí)和原理的認(rèn)知更加貼合實(shí)際。同時(shí)，Multisim 仿真軟件內(nèi)含的元器件庫(kù)十分完備，教師和學(xué)生可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中選取任何中職電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)所需的元器件類(lèi)型。

Multisim 仿真軟件能夠?qū)?fù)雜的電路實(shí)驗(yàn)以圖形的方式展現(xiàn)在學(xué)生面前，操作界面簡(jiǎn)潔易懂，學(xué)生極易上手，無(wú)論是模擬電路還是數(shù)字電路，甚至包含數(shù)字和模式的混合電路、射頻電路，Multisim 仿真軟件都可以讓學(xué)生通過(guò)圖形的方式完成對(duì)電路的認(rèn)知，借助計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)就可以輕松對(duì)電路進(jìn)行仿真模擬，傳統(tǒng)電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)中不同電路或電子器件的波形或特性曲線(xiàn)需要教師手動(dòng)進(jìn)行繪圖分析，這種方式精度角度且效率也差強(qiáng)人意，而Multisim仿真軟件的虛擬仿真技術(shù)更加直觀(guān)的將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及波形參數(shù)展現(xiàn)在學(xué)生面前，大幅提升了中職電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)效果和教學(xué)效率。

3.2 Matlab仿真軟件的應(yīng)用分析

Matlab 仿真軟件是一款基于數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真的虛擬仿真技術(shù)，是一款具備強(qiáng)大仿真功能的虛擬仿真工具軟件。Matlab 仿真軟件能夠更好的幫助中職電工電子教師將理論教學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)單化處理，進(jìn)而幫助教師更好的進(jìn)行系統(tǒng)模型和電子實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。

Matlab 仿真軟件主要涵蓋兩種仿真形式。第一種是基于仿真集成環(huán)境下的Simulink 仿真平臺(tái)，該平臺(tái)形式能夠?qū)㈦姽る娮蛹夹g(shù)試題進(jìn)行圖像化處理，具有成本低效率高的典型特征，在中職電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值；第二種在中職電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用較少，該仿真模式主要是為編寫(xiě)代碼文件而達(dá)到仿真目的。

中職電工電子技術(shù)教學(xué)通常廣泛應(yīng)用Matlab 仿真軟件中的Simulink 仿真平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)，該虛擬仿真形式可以將十分復(fù)雜的電路實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行直觀(guān)化處理，并對(duì)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析，分析結(jié)果通過(guò)Simulink 仿真平臺(tái)所提供的仿真儀器和實(shí)體圖像化模型達(dá)到更加直觀(guān)的仿真效果。譬如：電子電工技術(shù)教學(xué)在“三相橋式全控整流電路的教學(xué)”過(guò)程中，應(yīng)用Matlab 仿真軟件模擬電路模型，并通過(guò)設(shè)置一定電路參數(shù)的方式使仿真的效果達(dá)到最佳，學(xué)生通過(guò)更加直觀(guān)的方式對(duì)電路波形進(jìn)行了解和掌握，進(jìn)而提升了“三相橋式全控整流電路的教學(xué)”章節(jié)的教學(xué)效果。

3.3 EWB仿真軟件的應(yīng)用分析

這是一款上個(gè)世紀(jì)就研發(fā)出來(lái)的電子電路虛擬仿真軟件，可以說(shuō)，EWB 仿真軟件是當(dāng)前中職電工電子技術(shù)教學(xué)當(dāng)中應(yīng)用最為廣泛的虛擬仿真軟件，該款仿真軟件具有方便快捷的使用優(yōu)點(diǎn)，具備十分強(qiáng)大的模擬仿真功能，幾乎能夠百分之百的對(duì)中職電工電子實(shí)際電路進(jìn)行仿真模擬，為學(xué)生提供一個(gè)更加逼真的實(shí)踐情境。

EWB 仿真軟件具有海量的電路元器件，中職電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生在進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以通過(guò)使用EWB 仿真軟件更加直接簡(jiǎn)單的選取測(cè)試儀器、電路元器件以及儀表等。此外，故障設(shè)置功能是EWB 仿真軟件具有的獨(dú)特功能，該項(xiàng)功能既能夠幫助電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生真實(shí)掌握模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的開(kāi)路、短路以及斷路的實(shí)驗(yàn)狀況，學(xué)生通過(guò)虛擬仿真技術(shù)能夠更加真實(shí)的觀(guān)察故障出現(xiàn)時(shí)電路的各種狀態(tài)情況，進(jìn)而幫助學(xué)生提前增強(qiáng)對(duì)故障的理解、掌握和處理能力，便于學(xué)生獲得在日后實(shí)際工作過(guò)程中遇到此類(lèi)故障問(wèn)題的處理能力。

EWB 仿真軟件還具備電路分析功能，EWB 仿真軟件即囊括了時(shí)域和頻域的電路分析法，也涵蓋了失真和噪聲的電路分析法，即能夠?qū)﹄娐匪矐B(tài)或穩(wěn)態(tài)進(jìn)行電路分析，也能夠?qū)﹄娐妨泓c(diǎn)或極點(diǎn)進(jìn)行電路分析，通過(guò)利用EWB 仿真軟件可以切實(shí)幫助中職電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)有效緩解實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的教學(xué)局面，也能夠大幅降低大型實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的使用頻率，即幫助中職電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，又實(shí)現(xiàn)了成本的有效控制。

3.4 VR技術(shù)的應(yīng)用分析

虛擬現(xiàn)實(shí)VR 技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)、交互技術(shù)、通信技術(shù)于一體的模擬仿真技術(shù)，其具有典型的親臨感、現(xiàn)實(shí)感和多維感，虛擬現(xiàn)實(shí)VR 技術(shù)與以上虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行全方位協(xié)調(diào)配合能夠?yàn)橹新氹姽る娮蛹夹g(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作提供更加立體和仿真的操作環(huán)境，通過(guò)利用虛擬現(xiàn)實(shí)VR 技術(shù)可以有效提升學(xué)生電工電子技術(shù)的綜合操作水平。

譬如：在中職電工電子技術(shù)教學(xué)對(duì)《三相異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)》的模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)有效運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)VR 技術(shù)，教師可以將三相異步電動(dòng)機(jī)更加真實(shí)的呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，學(xué)生利用VR 眼鏡結(jié)合提前設(shè)定好的計(jì)算機(jī)交互模型，可以在模擬真實(shí)的環(huán)境中對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆卸、裝配，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理進(jìn)行仿真綜合分析。通過(guò)用虛擬現(xiàn)實(shí)VR 技術(shù)，學(xué)生更加真實(shí)的進(jìn)行模擬實(shí)操訓(xùn)練，教師也可以依照學(xué)生實(shí)操過(guò)程顯示出的問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性的糾正和指導(dǎo)，全面提升了學(xué)生電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能的訓(xùn)練成果。

4 虛擬仿真技術(shù)在中職電工電子技術(shù)教學(xué)中的具體應(yīng)用策略

4.1 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用需準(zhǔn)確把握教學(xué)內(nèi)容

虛擬仿真技術(shù)的有效應(yīng)用歸根結(jié)底還是要服務(wù)于中職電工電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并不是所有電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)內(nèi)容都適合應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，因此，電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)教師需要準(zhǔn)確把握專(zhuān)業(yè)教學(xué)內(nèi)容，選取適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，具體應(yīng)用內(nèi)容由兩大類(lèi)組成：第一種是電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)消耗過(guò)高或者危險(xiǎn)性大的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，以及通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，這類(lèi)不可逆操作、極端環(huán)境操作、大型綜合訓(xùn)練操作的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容適用與虛擬仿真技術(shù)；第二種是電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難點(diǎn)內(nèi)容或者是學(xué)生十分感興趣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)教師可以采用“互聯(lián)網(wǎng)+”的教學(xué)模式，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)線(xiàn)上平臺(tái)，利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。

4.2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用需重視專(zhuān)業(yè)師資力量建設(shè)

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到中職電工電子技術(shù)教學(xué)當(dāng)中給電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)教師的綜合能力提出了更高的要求，在此背景下，中職電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)教師團(tuán)隊(duì)不僅需要傳統(tǒng)的技術(shù)專(zhuān)業(yè)教師，還需要專(zhuān)職的虛擬仿真軟件工程師和網(wǎng)絡(luò)工程師作為技術(shù)支撐，現(xiàn)有的師資隊(duì)伍結(jié)構(gòu)需要向著多元化的方向邁進(jìn)。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)在中職電工電子技術(shù)教學(xué)中的深度應(yīng)用不僅僅是教學(xué)方式上的轉(zhuǎn)變，也是教學(xué)模式上的轉(zhuǎn)變，電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)內(nèi)容逐漸向著網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化的方向轉(zhuǎn)變，“互聯(lián)網(wǎng)+”的教學(xué)模式成為了未來(lái)中職電工電子技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)，師資隊(duì)伍開(kāi)展信息化建設(shè)，推動(dòng)虛擬仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)軟件和信息化平臺(tái)教學(xué)研發(fā)已經(jīng)成為了中職電工電子技術(shù)教學(xué)優(yōu)化改革的必經(jīng)之路。

綜上所述：虛擬仿真技術(shù)通過(guò)各類(lèi)虛擬仿真軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)VR 技術(shù)的廣泛應(yīng)用能夠?qū)χ新氹姽る娮蛹夹g(shù)試驗(yàn)教學(xué)中的電路設(shè)計(jì)和模型進(jìn)行仿真模式，為學(xué)生提供一個(gè)更加便捷、仿真、安全、高效的模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能夠切實(shí)提升中職電工電子技術(shù)教學(xué)的有效性。中職電工電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)教師要充分利用虛擬仿真技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)，采用有效的應(yīng)用策略對(duì)中職電工電子專(zhuān)業(yè)技術(shù)教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)更加多元化的實(shí)操環(huán)境，切實(shí)提升中職電工電子技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量。