基于模擬仿真的單相全波整流實驗教學探究

曹艷娟 石繼飛 史曉霞 劉燕茹 劉明芳

摘? 要：醫學影像設備學、傳統的實驗箱教學普遍存在著很多問題，文章嘗試采用較為常見的虛擬仿真軟件進行改革與探索。參與者為已具備相關理論基礎的大學四年級上學期（五年制）的醫學影像學專業48名學生。讓學生選擇單相全波整流電路實驗，構建模擬仿真電路，并與傳統的實驗箱教學進行對比。通過問卷星，從電路搭建、操作安全、參與程度、能力培養、學習興趣、知識拓展等方面，對兩種實驗方法的教學效果進行了比較和分析。

關鍵詞：單相全波整流電路;虛擬仿真;實驗教學

中圖分類號：TP391.9;G434? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）03-0192-04

Exploration in One-Way Full-Wave Rectification Experiment Teaching Based on Analog Simulation

CAO Yanjuan， SHI Jifei， SHI Xiaoxia， LIU Yanru， LIU Mingfang

（Baotou Medical College， Baotou? 014040， China）

Abstract： There are many problems generally in the traditional experimental box teaching and Medical Imaging Equipment Science， and this paper uses the more common virtual simulation software for reform and exploration. The participants are 48 students majoring in medical imaging in the first semester of the fourth year （five-year program） of the university who has a relevant theoretical basis. Let the students choose one-way full-wave rectification circuit experiment， build the analog simulation circuit， and compare with the traditional experimental box teaching. Through the questionnaire star， the teaching effects of the two experimental methods are compared and analyzed from the aspects of circuit building， operation safety， participation degree， ability training， learning interest and knowledge expansion and so on.

Keywords： one-way full-wave rectification circuit; virtual simulation; experiment teaching

0? 引? 言

醫學影像設備學是醫學影像學和醫學影像技術等專業的必修課程，本課程的教學目的是為了讓學生能夠掌握現代常見的醫學影像成像設備的內部結構、工作原理以及基本的操作方法[1]。臨床大型醫學影像成像設備的內部結構都非常復雜，包含許多單元電路，且各單元電路之間有機結合、環環相扣。常規教學方法主要以教師直接講授為主，很難用更直觀的方式呈現課程內容。很多人只是對醫學影像設備學的理論課進行了教學改革[2，3]。因此，通過怎樣的實驗教學方式，才能更好輔助理論授課，成為廣大教師關心的問題。然而，大型的醫學影像成像設備價格昂貴，并且大多數存在高壓和電離輻射等危險，普通高校很難提供真實設備供學生進行實驗學習。

目前很多醫學類高校的醫學影像設備學實驗教學普遍存在以下問題：（1）受電箱限制，大多數實驗都是典型驗證型實驗，無法開設研究型和綜合型實驗，對學生個人能力的進一步培養作用不大。（2）單元電路的教學大多基于實驗電箱，電箱電路是固定的，封裝在面板下方，模塊不可變更，因此實際使用中不可自行選擇、設計和調整實驗內容，學生能夠進行的實驗操作被局限在參數調整階段，只能通過簡單的參數改變來影響最終輸出結果，驗證理論的正確性，整個實驗步驟較為僵化，教學效果一般。（3）一旦學生在實驗過程中進行了錯誤操作，例如線路短接等，很容易造成模塊中的實際元件甚至是整個實驗箱的損壞，直接導致后續實驗無法進行。

針對傳統設備學實驗教學中存在的問題，我們以單相全波整流實驗為例，提出基于虛擬仿真平臺的實驗教學模式，對傳統的實驗教學模式進行了改革[4，5]。實踐表明，基于虛擬仿真的教學模式能夠將隱藏在面板下的電路展示出來，學生能夠對整個單元電路進行調整和修改，這樣的操作能夠很好地激發學生的學習興趣，有利于提升教學效果。同時，能夠有效地彌補傳統電箱實驗教學的種種不足，使得學生能對醫學影像設備內部單元電路的運行有一個清晰和直觀的認識，幫助學生在掌握全局電路的基礎上，更加深刻的理解各部分單元電路的功能。而且，通過電路故障的檢測實驗，可以使學生觀察到電路故障時會出現的各種異常情況，幫助學生深刻了解各種元件損壞后可能出現的現象以及對電路的影響。

1? 仿真軟件簡介

考慮到仿真平臺的多樣化[6-8]，我們選擇了比較常用的虛擬仿真平臺。該平臺專門用于電子電路仿真和設計，提供了豐富的元器件庫和電子測量儀器[9，10]，是一個開放的虛擬仿真實驗室，具有非常強大的仿真和分析功能，為學生提供了豐富的虛擬電路實驗場所。此外，在設備學單元電路實驗中使用該軟件，無須直接接觸實際的電路及電學元件，從而避免了學生在實驗過程中可能出現的各種潛在危險。

本研究以X線機單元電路之一：單相全波整流電路為例，嘗試通過仿真電路完成實驗教學。傳統的基于電箱的實驗教學，操作步驟固定僵化，學生在實驗過程中如果沒有按照要求操作，很容易出現短路等各種問題，造成電箱損壞，嚴重時甚至可能導致起火等安全隱患。而且電箱成本較高、壽命較短、大多數院校不具備人手一臺、損壞隨時更新的條件，這就造成在實驗授課過程中，需要按照小組分配電箱，小組人數受電箱數量限制，這樣多個學生共用一臺儀器的情況顯然會影響教學效果。另外，由于電箱質量不穩定，測量結果也缺乏準確性。

2? 對象與方法

我們從影像類專業培養目標出發，結合醫學影像設備學的課程特點，探索將知識點與實驗結合起來完成教學，最終進行了仿真實驗教學的嘗試。選取包頭醫學院2018級影像學本科班48名學生作為嘗試對象，本班學生前期已經完成電子學和影像物理學等課程的學習，具備必需的專業知識。選擇他們正在學習的醫學影像設備學課程，通過仿真軟件來完成單相全波整流電路實驗，實驗完成后，與傳統實驗電箱的教學效果進行了比較，最后利用問卷星對學生進行實驗效果調查。

3? 結果

3.1? 平臺搭建

基于國內高校已經非常普及的計算機教室來搭建仿真平臺，在保證學生人手一臺電腦的情況下，鍛煉學生自己自學仿真軟件的使用。我們選用的軟件具有非常豐富的元器件庫，包含了醫學影像設備學單元電路實驗所需的絕大多數元件，學生可以根據不同實驗選擇所需元器件。軟件操作界面簡單，集成度高，操作簡便，同時提供了大量虛擬儀器，用于檢查和分析電路[11]。學生自學完成后，可以課前查閱資料，基于課上所學的電路基礎原理，獨立完成元器件的選擇和實驗電路的連接，最后通過軟件提供的各種虛擬儀器進行檢測，確定所選擇的元器件是否合理、電路是否實現了相應功能。我們利用該平臺構建了X線機單相全波整流電路教學系統，由于X線球管的電氣特性跟電子管類似，有文獻已經證實了模擬球管的可行性[12]，因此在虛擬仿真中我們采用電子管仿真X線球管。

3.2? 整流電路仿真分析

采用虛擬仿真軟件對X線機單相全波整流電路進行模擬仿真，并對運行結果進行分析，如圖1所示。構建電路所采用的元器件及參數如下：交流電源電壓220 V、頻率50 Hz;滑動變阻器1 kΩ;整流橋D1;模擬的整流二極管（D2-D5）;模擬球管5AR4等。變壓器為11：1的普通變壓器以及11：1：1帶中心抽頭變壓器。示波器用來測量整流后的輸出電壓波形，萬用表用來測量X線管的管電流和管電壓。

按照圖1進行整流電路的連接與測試，我們得出了整流后模擬X線管的輸出電壓波形，如圖2所示。實驗過程中，學生通過課前預習，自主選擇元器件，并確定各元器件的具體參數，例如電源電壓、變壓器、二極管、模擬球管等。自行搭建電路，反復調試運行，整個過程要求學生深入理解電路原理，課前充分查閱資料，并根據虛擬儀表的顯示不斷調整所選元器件的參數，最終得到滿足要求的實驗電路。

3.3? 整流電路故障分析

通常情況下，用于電路實驗的電箱只能完成電路結果的展示，電箱本身不存在故障問題的展示，因此即便出現短路、漏電等意外狀況，也無法用于電路故障的教學，我們此次研究決定嘗試借助虛擬仿真平臺進行電路故障的實驗教學[13，14]。學生平時所看到的電路實驗箱表現都是正常的，當遇到故障電路時，由于整個電路都被實驗電箱面板覆蓋，完全無法進行電路檢測，也就無法完成故障的觀察分析，這樣就出現了實驗設置的空白，沒有相應故障檢測的實驗項目，學生對于故障的理解就只能來源于理論授課，無法很好地將理論知識與實踐結合在一起，最終轉化為自己的理解。電路故障仿真能夠讓學生直接觀察到在出現故障的情況下，電路的具體表現，如二極管的短路或斷路等?？偨Y出故障的現象以及造成故障的原因。基于此，我們在原電路上，設置二極管D2短路故障，觀察由于短路造成的管電壓波形的異常變化，分析這一電路故障對最終輸出結果造成的影響和后果，如圖3所示。

3.4? 學生反饋

相比傳統的實驗箱教學，仿真實驗教學完成后，邀請48名同學通過問卷星參與了問卷調查[15]，調查結果如圖4所示，其中橫坐標為仿真效果選項（對應下文（1）～（8）），縱坐標為學生人數。

以下為調查結果具體分析：

（1）91.67%的學生表示，對比實際電路搭建，仿真軟件操作安全，使用方便，實驗操作不局限在特定實驗室，課余時間利用個人電腦也可以完成，為課后鞏固提供了便利條件。（2）89.58%的學生表示，仿真實驗教學方式需要同學自行查閱資料，確定電學元件參數，有利于自主學習能力的培養。（3）93.75%的學生表示，實驗過程依賴于老師講授較少，基本是獨立完成的，自我發揮的空間更大，培養了實踐動手能力，更有成就感和獲得感。（4）85.42%的學生表示，相比于操作電箱僅僅在幾個檢測點之間連線測量，仿真實驗完整實現了單元電路的設計、組裝和調試，能夠更好地幫助學生理解電路組成、工作原理和檢測方法。（5）85.42%的學生表示，初步掌握了分析、判斷和查找電路故障的能力。能夠分析造成故障的原因，培養了學生發現問題和解決問題的能力。（6）93.75%的學生表示，通過本次課程，基本掌握了仿真軟件的使用和調試，對于仿真平臺很有興趣，課余時間愿意嘗試自行設計和搭建更多的單元電路。為學生掌握課程內外的知識，進一步開拓創新思維提供了的更多可能性。（7）87.5%的學生表示，仿真實驗基于電腦開展，每位同學獨立完成，比電箱實驗參與度高，更能培養學生的實踐動手能力。（8）4.17%的學生表示，對醫學影像設備學實驗沒有興趣，不關心實驗教學方式。

4? 結? 論

本文主要利用虛擬仿真平臺對單相全波整流電路進行仿真模擬，能夠較好地反映電路的特性，加深學生對整流電路工作原理的理解和掌握。學生課前能夠自主查閱資料，確定電路中各元件的類型及參數。本次嘗試，以學生自主完成為主，在電路搭建過程中不斷對所選各元器件的參數進行調整，最終輸出結果。仿真教學系統用于X線機單元電路實驗時，無須額外配備電路元件，所有操作均依托電腦完成，在熟悉電路組成的同時，規避了常規電學實驗的各種潛在危險。同時也解決了傳統實驗箱沒有辦法檢測電路故障的弊端，能夠讓學生看到在故障情況下電路的具體表現，并能將實驗觀察到的現象與理論知識相結合，進而分析故障產生的原因。對學生的問卷調查顯示，仿真教學能夠極大的提高學生對設備學實驗的積極性，提升了學生自主設計電路的能力，培養了學生的獨立思考能力和實踐動手能力，同時也對學生開放性思維的培養起到了非常積極正面的作用。

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作者簡介：曹艷娟（1986—），女，漢族，內蒙古通遼人，中級，碩士研究生，研究方向：影像和放射研究;通訊作者：劉明芳（1985—），女，漢族，內蒙古包頭人，中級，碩士研究生，研究方向：影像和放射研究。