基于虛擬仿真技術(shù)的“理虛實(shí)”一體化教學(xué)研究

翟麗，陸運(yùn)華

(洋浦經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)高級(jí)技工學(xué)校，海南洋浦，578101)

1 中職電類(lèi)專(zhuān)業(yè)理實(shí)一體化教學(xué)的現(xiàn)狀分析

1.1 生源現(xiàn)狀

在當(dāng)前升學(xué)熱的刺激下，一方面廣大公、民辦普通高中迅速擴(kuò)招，另一方面中職學(xué)校畢業(yè)生的就業(yè)質(zhì)量受培養(yǎng)質(zhì)量的限制還不是很理想。以上兩方面的原因致使當(dāng)前很多中職學(xué)校生源嚴(yán)重不足，很多學(xué)校連教育主管部門(mén)下達(dá)的招生計(jì)劃都無(wú)法完成，就更別奢談生源質(zhì)量了。

在生源質(zhì)量和數(shù)量均無(wú)法保證的辦學(xué)背景下，中職電工電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的課程對(duì)學(xué)生來(lái)講又普遍具有較高的數(shù)理分析要求，這樣的一對(duì)突出矛盾更加加劇了中職電工電子類(lèi)學(xué)生的厭學(xué)情緒。教學(xué)過(guò)程中普遍存在原理講不通、學(xué)不懂，實(shí)踐操作無(wú)條理，依樣畫(huà)葫蘆和盲目操作的現(xiàn)狀。教學(xué)效果遠(yuǎn)達(dá)不到要求。更有甚者還出現(xiàn)了學(xué)生厭學(xué)、教師厭教的惡性循環(huán)，課堂生態(tài)實(shí)在令人堪憂(yōu)。

1.2 教學(xué)環(huán)境現(xiàn)狀

諸多中職學(xué)校雖也引入了理實(shí)一體化教學(xué)模式，以期改善課堂教學(xué)生態(tài)、提高教育教學(xué)效果，但在真正實(shí)施過(guò)程中很多學(xué)校受到設(shè)備不足、設(shè)備老舊、耗材成本高等諸多因素制約，具體體現(xiàn)如下。

設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足：電工電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)設(shè)備種類(lèi)繁多，價(jià)格比較昂貴，在一些落后地區(qū)，很難配備種類(lèi)齊全、數(shù)量充足的各式各類(lèi)教學(xué)儀器設(shè)備，這使教學(xué)開(kāi)展十分困難，甚至有的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)根本無(wú)法開(kāi)出，部分學(xué)生直到畢業(yè)都不會(huì)操作使用一些高端精密儀器設(shè)備。

設(shè)備老舊：很多學(xué)校以為設(shè)備一投入就一勞永逸了，學(xué)校教學(xué)設(shè)備老舊跟不上技術(shù)發(fā)展是個(gè)普遍問(wèn)題，也是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。由于成本原因，教學(xué)設(shè)備不可能做到頻繁更新?lián)Q代，更有甚者是現(xiàn)有設(shè)備很多年久失修，處于癱瘓半癱瘓狀態(tài)，處于有效使用。這就導(dǎo)致了很多實(shí)訓(xùn)內(nèi)容無(wú)法實(shí)現(xiàn)，學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量難以滿(mǎn)足社會(huì)實(shí)際需要。

耗材成本高：在諸如電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)裝調(diào)等實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)課中，由于學(xué)生首次接觸、不熟練等原因，往往會(huì)導(dǎo)致大量元件器材被浪費(fèi)。

基于中職學(xué)校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的上述實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀，通過(guò)我們?cè)趯?shí)踐中的摸打滾爬，覺(jué)得非常有必要引入一種虛擬仿真技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)常規(guī)教學(xué)中的不足，以期達(dá)到理→虛→實(shí)結(jié)合、互為融通的良好教學(xué)課堂生態(tài)。

2 虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)勢(shì)

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)與學(xué)科教育的高度融合，各類(lèi)電學(xué)仿真軟件也呈百花齊放百家爭(zhēng)鳴之態(tài)勢(shì)，著名的就有美國(guó)NI公司的Circuit Design Suite14套件（內(nèi)含基于Spice內(nèi)核的multisim14板級(jí)板級(jí)仿真軟件和ultiboard制版軟件），英國(guó)New Wave Concepts公司的電子電路仿真設(shè)計(jì)四 件 套（Bright Spark、LiveWire、PCBWizard、Control Studio），匈牙利DesignsoftInc.公司的Edison立體聲光實(shí)驗(yàn)室，英國(guó)Lab Center Electronics公司的Proteus，國(guó)產(chǎn)的CAD_eSIMU、宇龍機(jī)電控制仿真軟件，還有三菱、西門(mén)子等PLC的仿真軟件，其擅長(zhǎng)領(lǐng)域各有千秋。如Multisim、BrightSpark、Edison等軟件就擅長(zhǎng)電子電路仿真，Proteus軟件擅長(zhǎng)電子電路和單片機(jī)程序仿真，CAD-eSIM、宇龍機(jī)電控制仿真軟件就擅長(zhǎng)繼電接觸器控制電路仿真，PLC仿真軟件則擅長(zhǎng)挺行圖程序邏輯仿真。

這些軟件雖然各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域不同，但他們都有以下共同的特點(diǎn)：①界面呈現(xiàn)生動(dòng)直觀、視覺(jué)沖擊感強(qiáng)烈，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和水平；②內(nèi)核建模精確、仿真結(jié)果非常逼近實(shí)際結(jié)果；③仿真操作具有很強(qiáng)的交互性、用戶(hù)沉浸體驗(yàn)感很好；④共享性能好、非常符合時(shí)下流行的線上線下混合式教學(xué)理念，有利于突破實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的時(shí)空限制；⑤軟件操作界面友好，容易上手。

基于虛擬仿真軟件的以上諸多優(yōu)點(diǎn)，使得其在教育教學(xué)和生產(chǎn)領(lǐng)域得以迅速的普及，現(xiàn)在很多的職業(yè)院校都將其作為電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的一種不可或缺輔助手段，也不失為工程技術(shù)人員研發(fā)生產(chǎn)的有力助手。

針對(duì)目前電類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀存在種種不足，虛擬仿真技術(shù)展現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)又恰好能很好地彌補(bǔ)這些不足，二者自然一拍即合。那么如何將二者很好地結(jié)合起來(lái)呢？我們認(rèn)為可以整合理（論）、虛（擬）、實(shí)（踐）資源，構(gòu)建“理虛實(shí)一體化”新型教學(xué)模式。

3 基于虛擬仿真軟件的理虛實(shí)一體化課堂教學(xué)案例解析

接下來(lái)我們就分別以New Wave Concepts公司的電子電路仿真設(shè)計(jì)四件套中的Bright Spark和PCB Wizard兩個(gè)軟件來(lái)介紹在中職學(xué)校電子技術(shù)基礎(chǔ)課程“理實(shí)一體化”教學(xué)中的典型應(yīng)用為例，來(lái)闡述虛擬仿真軟件在中職“理虛實(shí)一體化”課堂教學(xué)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

Bright Spark是一個(gè)非常有趣的電路模擬軟件，廣大電子愛(ài)好者、初學(xué)者可以借助其探索神秘的電子世界。初學(xué)者只需結(jié)合電腦屏幕上的動(dòng)畫(huà)和真實(shí)的模擬結(jié)果來(lái)幫助我們理解和遨游深?yuàn)W的電子世界。

它不需要你具有深厚的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，軟件包自身內(nèi)置的課件可以幫助初學(xué)者學(xué)習(xí)電子學(xué)背后的關(guān)鍵原理。同時(shí)，你還可以繼續(xù)使用該軟件中包含的大量元器件和儀表來(lái)搭建你自己的專(zhuān)屬電路，并調(diào)節(jié)測(cè)試它，觀測(cè)電路運(yùn)行結(jié)果，驗(yàn)證電路原理。

PCB Wizard 3是制作PCB電路板高度創(chuàng)新的軟件包。通過(guò)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具和友好的用戶(hù)界面提供無(wú)與倫比的生產(chǎn)力，因此PCB Wizard 3是您電子產(chǎn)品線路設(shè)計(jì)項(xiàng)目工作的理想選擇。此外，它還與Bright Spark、Control Studio 2和Livewire能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，PCB Wizard 3在世界各地已擁有超過(guò)20,000名注冊(cè)用戶(hù)，足以說(shuō)明其影響力之大。

所謂一圖勝千言，下面我們就按圖索驥地進(jìn)行電路的仿真和設(shè)計(jì)工作，如圖1所示。

起動(dòng)Bright Spark軟件，其界面非常的友好清新，我們?cè)诔跏冀缑嬷型ㄟ^(guò)第①或第②方式即可輕松打開(kāi)電路設(shè)計(jì)工作窗口（如圖1“中圖”所示），設(shè)計(jì)者只需從軟件自帶的元件、儀器庫(kù)中按需調(diào)取搭建電路所需的元件和儀表，合理布局在電路設(shè)計(jì)工作窗口中，然后按著電路工作原理正確連接電路（只需用鼠標(biāo)移至元件或儀器的端子點(diǎn)擊即可繪制導(dǎo)線，按住不放拖拽至下一元件端子即可完成兩元件之間的導(dǎo)線連線）。連接完所有電路之后，點(diǎn)擊工具欄上的運(yùn)行按鈕即可開(kāi)始電路模擬仿真工作過(guò)程。

圖1 Bright Spark界面及其仿真進(jìn)程

圖1的“中圖”是橋式整流電路的正半周仿真實(shí)際狀態(tài)，當(dāng)變壓器二次側(cè)的電壓瞬時(shí)極性為上“＋”下“-”時(shí)（由于變壓器初、次級(jí)的同名端為上、下端對(duì)應(yīng)，此時(shí)輸入交流電源為負(fù)半周），整流橋中兩對(duì)臂上的二極管V1、V4導(dǎo)通，負(fù)載上的電流自負(fù)載的上端流向下端，發(fā)光二極管LED2導(dǎo)通工作、LED2截至不工作，而二極管V2、V3由于承受反偏電壓而截至，從示波器的觀測(cè)窗口也能測(cè)量到與之一致的效果（紅色波形為CH1通道所測(cè)變壓器二次側(cè)正負(fù)交替變化的交流電波形，藍(lán)色波形為負(fù)載兩端極性單一的脈動(dòng)直流電波形）。

圖1的“下圖”是橋式整流電路的負(fù)半周仿真實(shí)際狀態(tài)，當(dāng)變壓器二次側(cè)的電壓瞬時(shí)極性為上“-”下“＋”時(shí)（由于變壓器初、次級(jí)的同名端為上、下端對(duì)應(yīng)，此時(shí)輸入交流電源為正半周），整流橋中兩對(duì)臂上的二極管V2、V3導(dǎo)通，負(fù)載上的電流仍是自負(fù)載的上端流向下端，發(fā)光二極管LED2導(dǎo)通工作、LED2截至不工作，而二極管V1、V4由于承受反偏電壓而截至。二極管V1、V4和V2、V3如此輪流交替導(dǎo)通，將輸入正負(fù)極性交替變化的正弦交流電整流為極性單一（始終在X軸的正半周）的脈動(dòng)直流電，從而完成對(duì)交流電的整流。

同時(shí)，我們通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載回路中的電位器PT的阻值，可以非常直觀地看到負(fù)載LED2在串聯(lián)不同阻值的電阻的時(shí)候，其明亮程度不一樣，當(dāng)然我們也可以借助Bright Spark中的直流電流來(lái)更為精確的測(cè)量PT阻值變化時(shí)負(fù)載中的電流數(shù)值。

以上工作過(guò)程也可以直觀地從仿真畫(huà)面上二極管V1～V4的開(kāi)、斷情況和示波器所測(cè)輸入/輸出波形圖觀察到，非常符合中職學(xué)生（或初學(xué)者）的認(rèn)知規(guī)律和認(rèn)知水平。

接下來(lái)我們?cè)谌鐖D1“上圖”所示的Bright Spark窗口中依次的單擊“File”→“Convert to PCB…”下拉菜單，即可一鍵打開(kāi)與之配套的PCB Wizard軟件進(jìn)行PCB線路板的布線工作，具體如圖2所示。PCBWizard在完成飛線布局之后會(huì)彈出“自動(dòng)布線完成，100%的網(wǎng)絡(luò)連接被成功地布線了”的提示對(duì)話(huà)框，點(diǎn)擊“OK”按鈕即可生成圖2“下左圖”所示的敷銅電路板圖，圖2“下右圖”為三維實(shí)物安裝圖。

從圖2可以看出，在Bright Spark中一鍵啟動(dòng)PCB Wizard并生成合格PCB印制電路板圖可謂是一氣呵成。我們只需將最終的印制板圖送至印制電路板生產(chǎn)廠家或者自己在實(shí)驗(yàn)室用熱轉(zhuǎn)印法轉(zhuǎn)印到覆銅板上，再用蝕刻劑腐蝕的方法即可制作出一款成功的印制電路板，最后按仿真電路原理圖將元器件裝配焊接到印制電路板上，一款合格的橋式整流電路即可大功告成。高效高質(zhì)地完成從電路的仿真設(shè)計(jì)→一鍵生成PCB→焊接裝配成型產(chǎn)品→調(diào)試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)從原理驗(yàn)證到產(chǎn)品制作一整套完整的設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程，真正實(shí)現(xiàn)了“理→虛→實(shí)一體化”實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）過(guò)程。

圖2 一鍵啟動(dòng)PCB Wizard 自動(dòng)布線流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

在電子類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入一些易學(xué)好用、直觀形象、視覺(jué)沖擊感強(qiáng)烈的虛擬仿真軟件，是未來(lái)電子類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它不僅符合信息化媒體時(shí)代成長(zhǎng)起來(lái)的這代學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和認(rèn)知水平，有效降低學(xué)科認(rèn)知難度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）的參與度與沉浸感、獲得感，極大改善課堂生態(tài)和效率。而且可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）中看不到、進(jìn)不去、成本高、危險(xiǎn)性大等不利因素的影響。

將虛擬仿真軟件和課堂教學(xué)有效融合不僅能減少實(shí)驗(yàn)耗材的損耗并延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更換周期，大大降低經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)職業(yè)院校的辦學(xué)成本。而且還能有效提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新思維能力，為社會(huì)主義新時(shí)代培養(yǎng)更多合格的創(chuàng)新型應(yīng)用技術(shù)人才提供智力支持。

虛擬仿真軟件與技術(shù)教學(xué)的結(jié)合使得實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）課不僅僅局限于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課中的定理驗(yàn)證與教材實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，而是把實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)踐應(yīng)用能力高度結(jié)合起來(lái)，把理論教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)踐三位一體、有機(jī)融合，使得我們的實(shí)驗(yàn)課不再是局限于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室和課堂，而是將實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間延伸至課外、空間延伸至校外，從而實(shí)現(xiàn)“理虛實(shí)一體化”實(shí)訓(xùn)課課上、課下，線上、線下的高度混合式學(xué)習(xí)，學(xué)生只要有靈感就可隨時(shí)隨地開(kāi)展自己的創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)踐，不再受時(shí)間和空間的限制。