论文部分内容阅读
摘要：在电子技术课堂教学中加入仿真，可加深学生对电路的理解，提高学生的学习兴趣。以60进制计数器和RC振荡电路为例，在数字电路和模拟电路课堂教学中尝试了以仿真的形式帮助学生理解难懂的授课内容。
关键词：电子技术；仿真；Multisim；课堂教学
作者简介：翁玲（1978-），女，河南信阳人，河北工业大学电气工程学院，讲师；
陈盛华（1973-），女，辽宁开原人，河北工业大学电气工程学院，讲师。
基金项目：本文系河北工业大学2011年教学改革立项项目“加强学生实践创新能力培养的电子技术实验教学探讨”、“电子技术基础课堂动态教学的探讨”的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）14-0075-02
电子技术基础是电类学科各专业的专业技术基础课程，包括模拟电子技术和数字电子技术两门主要课程，还包括电子技术实验、电子技术课程设计、电子工艺实习等实践教学环节。电子技术课程的教学任务是让学生获得电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生分析、解决问题的能力和创新能力，为后续专业课程的学习打好基础。随着电子技术的迅速发展，在学时不变的情况下，面对越来越多的教学内容，传统的课堂教学已经难以胜任。在课堂教学中加入仿真软件，可以用来设计电路，模拟各种电路的功能，将学生难以理解的原理用生动的画面来解释，帮助学生克服抽象概念较难理解的障碍，并且帮助学生理解并学习各种测量电路的方法，增强对电路的感性认识。[1-5]
河北工业大学（以下简称“我校”）电子学教研组积极进行教学实验改革。自2004年开始在实验学时不变的情况下增加电子技术实验仿真，给每组实验台配备电脑，让学生做完实验后进行仿真验证，提高了学生学习电子技术的兴趣和学生的创新能力。[6-7]然而由于班级较多，每个实验项目的安排不方便做到每次课堂教学后就可以进行实验验证和推理，因此在电子技术课堂教学中也引入仿真，在开展理论教学的同时，利用仿真帮助学生理解难懂的内容，帮助学生掌握各种仪器的基本使用及电路参数的测试方法。事实证明运用该方法取得的教学效果形象生动，并能有效地激发学生对电子技术的学习兴趣，增强学生学习的积极性和主动性。电子技术仿真教学已经成为课堂教学的有力补充。
一、课堂教学中引入仿真软件的必要性
电子技术课程尤其是模拟电子技术课程理论抽象，学生反映该课程比较枯燥并难以理解和接受，甚至被学生称为“天书”。传统的电子技术课堂教学中存在以下问题：电子电路复杂，若采用传统的教学方式，课堂临时画电路图进行讲解和分析，这样花费时间非常多。另外，在学时不变的情况下，课堂教学进行的电路工作原理的分析只能采用理性分析，分析过程不够形象，不便于学生的理解和接受，教学效率较低。目前虽然我们已经在电子技术的课堂教学中引入了多媒体教学，制作的课件也越来越形象，在一定程度上增强了教学效果，[7]但是，仅仅是多媒体教学还不能满足电子技术的教学要求。采用多媒体方式教学时，只能满足理论教学，对电路的分析、验证和电路参数的测试显得不足。
电子技术是一门实践性较强的专业技术基础学科，在进行教学时，理论与实践相结合，才能使学生更好地领会、理解、掌握。将仿真教学加入到多媒体的课堂教学中，在课堂教学上也能观察到原先在实验室才能观察到的现象。教师可以在讲解完电子电路后，在多媒体教室中分析该电路的特性，讲解各种输入信号的变化或者电路参数的改变对电路输出信号的影响，操作速度快。比如要测电路中某个节点的电压波形，只需要添加一个示波器就能看到相应的节点波形，学生能够形象直观地观察到电路的工作情况，了解到不同形式的电路的功能。在演示过程中教师可以随时改变电路元件的参数或增加电路元件的数量，让学生直观地看到从简单电路到复杂电路的变化过程，体会不同电路性能和特性的变化。将仿真教学加入到课堂教学中，可以将课堂上的教学内容形象地展现在学生面前，变抽象为直观，加深学生对理论知识的理解和掌握。
学生在课堂上掌握了电路的原理后，对仿真软件的用法、电路参数的测量方法也有一定的了解。有的学生会在课后主动装载仿真软件，自行完成电路设计及分析过程。在实验室进行实验项目时，我们一般采用实验项目仿真分析和硬件测试同时进行的方法，学生在硬件测试完电路参数后，在计算机上用仿真软件设计电路，进行仿真分析。改变电路参数，观察不同电路参数对电路性能的影响，使用虚拟仪器观测出各实验点的波形及整个电路的实验结果。由于课堂教学中学生已经大体掌握了软件的用法，在后续的电子技术课程设计和电子工艺实习阶段，学生能熟练地应用仿真软件。仿真软件的引入，激发了学生学习的兴趣，使学生由被动学习转变为主动学习，调动学习的主动性和积极性，同时使学生能逐渐将新知识、新技术、新手段应用到实践中去，极大提高了学生的创新能力。
NI Multisim10.0是美国NI公司于2007年推出的版本，该版本并不局限于电子电路的虚拟仿真，其在LabVIEW虚拟仪器、单片机仿真、VHDL和VerilogHDL建模、Ultiboard设计电路板等技术方面都有更多的创新和提高，属于EDA技术的更高层次范畴。[8]鉴于Multisim10的优良性能，在电子技术课堂教学中引入了NI Multisim10.0软件。
二、教学应用案例
1.60进制计数器
计数器是数字系统里应用最多的时序逻辑电路。[9]利用计数器可以很方便地构成计时器电路，例如秒表等。常见的集成计数器芯片有十进制、十六进制、7位二进制、12位二进制、14位二进制等。在需要其他任意一种进制的计数器时，只能用已有的计数器产品经过外电路的不同连接方式得到。[9]任意进制计数器的构成方法是数字电子技术基础理论课讲解的重点内容，学生在掌握了任意进制计数器构成后，教师可以在课堂上通过仿真方便地对这些内容做扩展，比如构成60进制计数器即秒表电路，提高学生的学习兴趣。 图1为60进制计数器仿真电路图。仿真时采用两片十进制计数器74160U1和74160U2，其中第一片74160U1接成十进制计数器，其2管脚时钟CLK由50Hz方波提供。第二片74160U2根据置零法接成六进制计数器，其时钟CLK由第一片74160的最高位QD提供。第一片74160的计数循环为0到9，在第一片74160计数到9时，第二片74160开始计数，计数循环为从0到5。两个74160的输出端QD、QC、QB、QA分别接到两个显示数码管上，直观地显示计算时钟个数的数值。当仿真运行时，两个数码管上分别显示的计数循环为00～59，即为60进制计数器的显示结果。这样的仿真扩展，课上大约需要10～15分钟的时间。在学生掌握了任意进制计数器构成方法后，应用这种仿真方法对学生的知识进一步扩展，能提高学生的学习兴趣。学生课下可以继续设计类似的电路，提高了学生的创新能力。
2.RC桥式正弦波振荡电路
正弦波振荡电路是在没有外加信号输入的情况下，依靠电路自己振荡而产生的正弦波输出电压的电路。[10]这部分电路对于学生来说比较生涩难懂。在实验室实验过程中，学生也很难观察到振荡电路从起振到最终输出正弦波电压的过渡过程，因此，学生对振荡电路的学习往往感觉很难，兴趣不大。在讲解这部分内容时，配合Multisim仿真教学，让学生从仿真软件中观察振荡电路起振过程，从而加深了对振荡电路各部分组成的理解。
仿真电路图如图2（a）所示，选用集成运放LM324，其4、11管脚分别为±12V电压。RC串并联选频网络、同相比例运算电路构成了RC桥式正弦波振荡电路。二极管D2、D3为非线性环节，作用是稳定输出电压的幅值。[10]利用虚拟示波器可以方便地观察振荡电路输出端波形，仿真结果如图2（b）所示。给学生讲解完振荡电路构成原理后，学生们已经明白电路若能起振，同相比例运算电路的反馈电阻R2、R1之间必须保证R2≥R1。为了使学生便于理解振荡电路起振过程，在仿真中加入可调电阻R5，仿真过程中改变R5的值，即可在示波器中清楚地观察振荡电路起振、输出正弦波、输出矩形波等过渡过程。从仿真结果图2（b）可以直接观察出在实验室难以观察的起振过程，加深学生对振荡电路的理解。
三、结束语
在课堂教学中加入仿真软件，一方面可以使学生更容易学习生涩难懂的理论知识，帮助学生掌握各种仪器的基本使用及电路参数的测试方法，另一方面还可以提高学生的学习兴趣。我校在最近几年的电子技术教学改革中，首先增加了实验仿真，学生反映较好。而后又在学时不变的情况下，在课堂教学中随时加入仿真，经过实践，这种教学方法取得的教学效果较好，值得推广。
参考文献：
[1]鲁世斌，范程华，蒋先伟.Multisim 10在数字电子技术教学中的应用[J].合肥师范学院学报，2010，28（3）：51-53.
[2]刘向军，王赟.将Multisim引入电子技术课堂[J].中国电力教育，2004，（4）：101-102.
[3]董杰.仿真软件在电子技术教学中的实例分析[J].技术在线，2012，（8）：44-46.
[4]张恒.Multisim12在模拟电子技术项目式教学中的应用[J].轻工科技，2012，（10）：135-136.
[5]王海.Multisim10在模拟电子技术课程模块化教学中的应用[J].电脑知识与技术，2012，8（28）：6856-6858.
[6]于青，孙英，邢庆国.加强学生实践创新能力培养的电子技术实验教学体系研究[C].第六届全国电子电气课程报告论坛，2010.
[7]孙英，邢庆国，傅仲文.电子技术课程中多途径培养学生的创新能力[J].河北工业大学成人教育学院学报，2009，24（2）：17-19.
[8]黄培根，任清褒.Multisim10计算机虚拟仿真实验室[M].北京：电子工业出版社，2008.
[9]阎石.数字电子技术基础[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.
[10]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.
关键词：电子技术；仿真；Multisim；课堂教学
作者简介：翁玲（1978-），女，河南信阳人，河北工业大学电气工程学院，讲师；
陈盛华（1973-），女，辽宁开原人，河北工业大学电气工程学院，讲师。
基金项目：本文系河北工业大学2011年教学改革立项项目“加强学生实践创新能力培养的电子技术实验教学探讨”、“电子技术基础课堂动态教学的探讨”的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）14-0075-02
电子技术基础是电类学科各专业的专业技术基础课程，包括模拟电子技术和数字电子技术两门主要课程，还包括电子技术实验、电子技术课程设计、电子工艺实习等实践教学环节。电子技术课程的教学任务是让学生获得电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生分析、解决问题的能力和创新能力，为后续专业课程的学习打好基础。随着电子技术的迅速发展，在学时不变的情况下，面对越来越多的教学内容，传统的课堂教学已经难以胜任。在课堂教学中加入仿真软件，可以用来设计电路，模拟各种电路的功能，将学生难以理解的原理用生动的画面来解释，帮助学生克服抽象概念较难理解的障碍，并且帮助学生理解并学习各种测量电路的方法，增强对电路的感性认识。[1-5]
河北工业大学（以下简称“我校”）电子学教研组积极进行教学实验改革。自2004年开始在实验学时不变的情况下增加电子技术实验仿真，给每组实验台配备电脑，让学生做完实验后进行仿真验证，提高了学生学习电子技术的兴趣和学生的创新能力。[6-7]然而由于班级较多，每个实验项目的安排不方便做到每次课堂教学后就可以进行实验验证和推理，因此在电子技术课堂教学中也引入仿真，在开展理论教学的同时，利用仿真帮助学生理解难懂的内容，帮助学生掌握各种仪器的基本使用及电路参数的测试方法。事实证明运用该方法取得的教学效果形象生动，并能有效地激发学生对电子技术的学习兴趣，增强学生学习的积极性和主动性。电子技术仿真教学已经成为课堂教学的有力补充。
一、课堂教学中引入仿真软件的必要性
电子技术课程尤其是模拟电子技术课程理论抽象，学生反映该课程比较枯燥并难以理解和接受，甚至被学生称为“天书”。传统的电子技术课堂教学中存在以下问题：电子电路复杂，若采用传统的教学方式，课堂临时画电路图进行讲解和分析，这样花费时间非常多。另外，在学时不变的情况下，课堂教学进行的电路工作原理的分析只能采用理性分析，分析过程不够形象，不便于学生的理解和接受，教学效率较低。目前虽然我们已经在电子技术的课堂教学中引入了多媒体教学，制作的课件也越来越形象，在一定程度上增强了教学效果，[7]但是，仅仅是多媒体教学还不能满足电子技术的教学要求。采用多媒体方式教学时，只能满足理论教学，对电路的分析、验证和电路参数的测试显得不足。
电子技术是一门实践性较强的专业技术基础学科，在进行教学时，理论与实践相结合，才能使学生更好地领会、理解、掌握。将仿真教学加入到多媒体的课堂教学中，在课堂教学上也能观察到原先在实验室才能观察到的现象。教师可以在讲解完电子电路后，在多媒体教室中分析该电路的特性，讲解各种输入信号的变化或者电路参数的改变对电路输出信号的影响，操作速度快。比如要测电路中某个节点的电压波形，只需要添加一个示波器就能看到相应的节点波形，学生能够形象直观地观察到电路的工作情况，了解到不同形式的电路的功能。在演示过程中教师可以随时改变电路元件的参数或增加电路元件的数量，让学生直观地看到从简单电路到复杂电路的变化过程，体会不同电路性能和特性的变化。将仿真教学加入到课堂教学中，可以将课堂上的教学内容形象地展现在学生面前，变抽象为直观，加深学生对理论知识的理解和掌握。
学生在课堂上掌握了电路的原理后，对仿真软件的用法、电路参数的测量方法也有一定的了解。有的学生会在课后主动装载仿真软件，自行完成电路设计及分析过程。在实验室进行实验项目时，我们一般采用实验项目仿真分析和硬件测试同时进行的方法，学生在硬件测试完电路参数后，在计算机上用仿真软件设计电路，进行仿真分析。改变电路参数，观察不同电路参数对电路性能的影响，使用虚拟仪器观测出各实验点的波形及整个电路的实验结果。由于课堂教学中学生已经大体掌握了软件的用法，在后续的电子技术课程设计和电子工艺实习阶段，学生能熟练地应用仿真软件。仿真软件的引入，激发了学生学习的兴趣，使学生由被动学习转变为主动学习，调动学习的主动性和积极性，同时使学生能逐渐将新知识、新技术、新手段应用到实践中去，极大提高了学生的创新能力。
NI Multisim10.0是美国NI公司于2007年推出的版本，该版本并不局限于电子电路的虚拟仿真，其在LabVIEW虚拟仪器、单片机仿真、VHDL和VerilogHDL建模、Ultiboard设计电路板等技术方面都有更多的创新和提高，属于EDA技术的更高层次范畴。[8]鉴于Multisim10的优良性能，在电子技术课堂教学中引入了NI Multisim10.0软件。
二、教学应用案例
1.60进制计数器
计数器是数字系统里应用最多的时序逻辑电路。[9]利用计数器可以很方便地构成计时器电路，例如秒表等。常见的集成计数器芯片有十进制、十六进制、7位二进制、12位二进制、14位二进制等。在需要其他任意一种进制的计数器时，只能用已有的计数器产品经过外电路的不同连接方式得到。[9]任意进制计数器的构成方法是数字电子技术基础理论课讲解的重点内容，学生在掌握了任意进制计数器构成后，教师可以在课堂上通过仿真方便地对这些内容做扩展，比如构成60进制计数器即秒表电路，提高学生的学习兴趣。 图1为60进制计数器仿真电路图。仿真时采用两片十进制计数器74160U1和74160U2，其中第一片74160U1接成十进制计数器，其2管脚时钟CLK由50Hz方波提供。第二片74160U2根据置零法接成六进制计数器，其时钟CLK由第一片74160的最高位QD提供。第一片74160的计数循环为0到9，在第一片74160计数到9时，第二片74160开始计数，计数循环为从0到5。两个74160的输出端QD、QC、QB、QA分别接到两个显示数码管上，直观地显示计算时钟个数的数值。当仿真运行时，两个数码管上分别显示的计数循环为00～59，即为60进制计数器的显示结果。这样的仿真扩展，课上大约需要10～15分钟的时间。在学生掌握了任意进制计数器构成方法后，应用这种仿真方法对学生的知识进一步扩展，能提高学生的学习兴趣。学生课下可以继续设计类似的电路，提高了学生的创新能力。
2.RC桥式正弦波振荡电路
正弦波振荡电路是在没有外加信号输入的情况下，依靠电路自己振荡而产生的正弦波输出电压的电路。[10]这部分电路对于学生来说比较生涩难懂。在实验室实验过程中，学生也很难观察到振荡电路从起振到最终输出正弦波电压的过渡过程，因此，学生对振荡电路的学习往往感觉很难，兴趣不大。在讲解这部分内容时，配合Multisim仿真教学，让学生从仿真软件中观察振荡电路起振过程，从而加深了对振荡电路各部分组成的理解。
仿真电路图如图2（a）所示，选用集成运放LM324，其4、11管脚分别为±12V电压。RC串并联选频网络、同相比例运算电路构成了RC桥式正弦波振荡电路。二极管D2、D3为非线性环节，作用是稳定输出电压的幅值。[10]利用虚拟示波器可以方便地观察振荡电路输出端波形，仿真结果如图2（b）所示。给学生讲解完振荡电路构成原理后，学生们已经明白电路若能起振，同相比例运算电路的反馈电阻R2、R1之间必须保证R2≥R1。为了使学生便于理解振荡电路起振过程，在仿真中加入可调电阻R5，仿真过程中改变R5的值，即可在示波器中清楚地观察振荡电路起振、输出正弦波、输出矩形波等过渡过程。从仿真结果图2（b）可以直接观察出在实验室难以观察的起振过程，加深学生对振荡电路的理解。
三、结束语
在课堂教学中加入仿真软件，一方面可以使学生更容易学习生涩难懂的理论知识，帮助学生掌握各种仪器的基本使用及电路参数的测试方法，另一方面还可以提高学生的学习兴趣。我校在最近几年的电子技术教学改革中，首先增加了实验仿真，学生反映较好。而后又在学时不变的情况下，在课堂教学中随时加入仿真，经过实践，这种教学方法取得的教学效果较好，值得推广。
参考文献：
[1]鲁世斌，范程华，蒋先伟.Multisim 10在数字电子技术教学中的应用[J].合肥师范学院学报，2010，28（3）：51-53.
[2]刘向军，王赟.将Multisim引入电子技术课堂[J].中国电力教育，2004，（4）：101-102.
[3]董杰.仿真软件在电子技术教学中的实例分析[J].技术在线，2012，（8）：44-46.
[4]张恒.Multisim12在模拟电子技术项目式教学中的应用[J].轻工科技，2012，（10）：135-136.
[5]王海.Multisim10在模拟电子技术课程模块化教学中的应用[J].电脑知识与技术，2012，8（28）：6856-6858.
[6]于青，孙英，邢庆国.加强学生实践创新能力培养的电子技术实验教学体系研究[C].第六届全国电子电气课程报告论坛，2010.
[7]孙英，邢庆国，傅仲文.电子技术课程中多途径培养学生的创新能力[J].河北工业大学成人教育学院学报，2009，24（2）：17-19.
[8]黄培根，任清褒.Multisim10计算机虚拟仿真实验室[M].北京：电子工业出版社，2008.
[9]阎石.数字电子技术基础[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.
[10]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.