职业学校电类课程中仿真教学模式与实现

中国教育装备采购网2005-10-17 12:17围观3055次我要分享

    摘要:本文通过对电路仿真教学模式的研究,指出了各种教学模式的适用范围及其特点;介绍了实现电路仿真教学必备的软件、硬件等条件,简单说明了仿真的原理,并指出了仿真教学的重要性。


    关键词:教学模式;EWB;硬件;软件

 
    一.仿真教学模式
 
    所谓教学模式,是指在一定的教育思想、教学理论、学习理论指导下的教学活动进程的稳定结构形式。也就是按照什么样的教育思想、理论来组织你的教学活动进程,它是教育思想、教学理论、学习理论的集中体现。教学模式的改变必然会触动教育思想、教学观念、教与学的理论等根本性的问题。
 
    传统的教学系统是由教师、学生和教材这三个要素构成的,在现代化教学环境下还要多增加一个要素,这就是教学媒体。既然是一个教学系统,从系统论的观点考虑,几个要素就不是简单地、孤立地拼凑在一起,而是彼此相互联系、相互作用而形成的有机整体。所谓教学模式正是这四个要素相互联系、相互作用而形成的教学活动进程的稳定结构形式,是四个要素相互联系、相互作用的具体体现。
 
    基于传统型的电路课的教学,无外乎就是采用课堂讲授法和实验教学法,教学中只有把二者有机地结合起来,才能获得较理想的教学效果。但对于一些实习、实验条件较差的学校,特别是一些中等职业学校,由于缺少较精密的实验仪器,导致相当数量的实验实习只能在“黑板”上或“书本”上进行,缺少教学的互动性环节,直接影响教学效果。该教学模式重点在于传授教材上的理论知识,并通过教材上的实验内容来验证理论知识。学生在学习过程中完全受教师和教材的束缚,缺少创新精神和学以致用的教学目标。    
 
    下面分别介绍一些电路课程的仿真教学模式:
 
1.验证型教学仿真模式
 
    近年来随着多媒体计算机教学的普及与发展,为电路课程的教学仿真及其推广应用创造了必要的硬件准备。90年代后期,一些电路仿真软件开始进入校园,由于仿真软件元件库中元件非常丰富,自身携带的测试仪器十分完备,对于一些实验条件要求非常高的实习项目,完全可以利用教学仿真软件进行模拟仿真,并可将仿真结果进行打印或拷贝保存,特别是一些如示波器、波特图示仪等仿真仪器可以真实地显现出电路中任何测试点的波形,从而对课堂教学所传授的理论知识进一步加以验证。
这种教学模式,实质上是采用了课堂讲授、实物搭建实习、多媒体计算机辅助教学仿真三个教学环节,后一环节是前一教学环节的验证和补充。其教学目的就是通过实习或仿真来验证书本上的理论知识,不具备创新教育的性质。

    2.基础维修型教学仿真模式

    这种教学模式,是在验证型教学模式的基础上的进一步引深和发展。它必须在理论知识深入到一定程度时,且对基础知识、基本技能有较系统掌握的情况下,为培养学生对具体电路的维修技能,由教师对某一功能电路进行人为故障设置,要求学生在规定的时间内,通过各种仪器仪表的使用,最终查找出故障点并加以排除的一种实习教学方法。

    该仿真教学模式具有以下优点:

    A、故障设置的隐蔽性:
 
    普通电路板故障设置,是以往电路课程普遍采用的一种教学实习方式。但当在电路板上设置故障时不可避免的会在电路板上留下痕迹,这就等于为学生排查故障指明了方向,不利于学生技能的掌握与提高。而向EWB这样的仿真软件,对电路中任意一个元件都可以设置短路、断路、漏电等三种隐蔽故障,且不会留下任何痕迹,学生故障检修完毕后,开启仿真功能,通过电路输出结果及其波形图即可判定学生检修是否成功。
    
    B、故障排查的安全性:
 
    电路实习所使用的电压并非全为低压直流,有些电路中部分功能电路往往带数千伏的高压,实物线路板的故障检查需十分小心,应有教师进行监护,杜绝触电事故的发生。而向EWB这样的仿真软件,设置故障后,学生只在计算机上进行电路分析、故障排除,所以绝对没有触电的可能。另一方面,仿真过程中,也不会出现由于操作不当造成元器件损坏的现象。
    
    C、便于考核与评分:
    
    职业学校中专业技能的实操考试是教学中的重要一环,纯线路板式的考试,以其准备工作费时、耗材需求量大、评分工作繁杂而著称。由于贵重仪器、仪表数量有限,致使每场只有少部分学生参加,且考后应立即评分,以免影响下一场学生考核使用。而在多媒体教室中,教师可以通过网络从题库中随即为每一位学生调出考核题目,学生考试结束后把自己的考核结果以文件的形式储存起来,发给评分教师,等待评分,大大减轻了以往考核的艰巨性。
 
    3.综合设计型教学仿真模式
 
    综合设计型教学仿真,是职业学校毕业生进行毕业设计时采用的一种实习环节。它要求学生对所学习的电路知识要有比较全面的掌握,能够根据基本的功能电路,设计并制作出可完成一定具体功能要求的电子装置。并以此来检测学生对所学的专业知识的综合运用能力。
 
    综合设计型教学仿真只是学生毕业设计中的一个环节。它在学生解决电路大框架的基础上,对具体电路部分通过计算机进行设计、调试、多级连结、误差分析、频率分析、温度分析等一系列设计分析过程,在满足电路参数的情况下,对电路进行定型、绘制电原理图,并通过仿真软件进行PCB设计,最终得出印刷电路板图,并加以打印绘图,制作线路板,装配成成品器件,完成实习工作。 二.教学仿真的实施
 
    要实现电路的仿真教学,必须具备相应的软硬件条件。具体如下:
 
    1.硬件条件:多媒体教室一座,内设能满足一个标准班使用的多媒体计算机,且学生机与教师机由网络互联,学生可通过网络向教师进行询问,教师也可以对学生机进行监控,随时进行辅导。计算机的基本配置要求:PII处理器、32M内存(推荐64M)、至少100M的硬盘空间、800x600的最低屏幕分辨率、Windows98/2000/NT的操作系统。
 
    2.软件条件:安装EWB5.0(Electronics Workbench5.0)软件。
 
    电子工作平台Electronics Workbench (EWB)(现称为MultiSim) 软件是加拿大Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件,它具有这样一些特点:
 
    a.   采用直观的图形界面创建电路:在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台,绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取;
 
    b.   软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似,可以实时显示测量结果。
 
    c.   EWB软件带有丰富的电路元件库,提供多种电路分析方法。
 
    d.   作为设计工具,它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。
 
    e.   EWB还是一个优秀的电子技术训练工具,利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验,仿真电路的实际运行情况,熟悉常用电子仪器测量方法。
     
    综上所述,在目前众多纷纭的电路仿真软件中,EWB非常适合职业学校电路类课程的教学和实验。
 
    3.工作过程
 
    电子工作台(EWB)可以对模拟、数字或混合电路进行电路的性能仿真和分析,其分析方法和元件库的模型均建筑在SPICE(Simulatation Program with Integrated Circuit Emphasis)程序(SPICE3F5)的基础上,当使用者创造一个线路图,并按下电源开关后,就可以从示波器等测试仪器上读得电路中的被测数据。在实际上,这个过程是该软件通过计算使用者所创建电路的数学表达式,求得的数值解。在电路中的每个元器件,都有其设定的数学模型,因此,这些元器件模型的精度,就确定了电路仿真结果的精度。
 
    采用虚拟电子工作台,即通过计算机软件仿真的方法,对电子线路进行模拟运行,其整个运行过程可分成四个步骤:数据输入、参数设置、电路分析和数据输出。
 
    数据输入:将用户创建的电路图结构、元器件数据读入,选择分析方法。
 
    参数设置:程序会检查输入数据的结构和性质,以及电路中的阐述内容,对参数进行设置。
电路分析:对输入信号进行分析,它将占据CPU工作的大部分时间,是电路进行仿真和分析的关键。它将形成电路的数值解,并将所得数据送至输出级。
 
    数据输出:从测试仪器如示波器等仪表上获得仿真运行的结果.也可以从“分析”栏中的“分析显示图”(Analysis Graph)中看到测量、分析的波形图。
 
    电子工作台在处理直流线性电路时,是将它作为一般非线性电路的一个特例进行处理。在求解电路方程或在求解系统节点矩阵方程时,它将矩阵A分解成两个三角矩阵:下三角矩阵L和上三角矩阵U,并采用前向迭代法和后向迭代法求解这两个矩阵的解。
 
    综上所述,我们可以看出,电路课程教学中引入仿真技术,是现代教育技术在教学中的具体体现,它能够直观形象地解决一些课堂教学无法解决的难题,克服实验器材短缺且原材料消耗过大的实验瓶颈,并可以运用到实验考核和综合设计之中,并且大大地发挥多媒体机房的实习潜力,扩大实习的专业领域,真正实现素质教育之目的。
来源:中国科学器材网

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