電子電工模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)探析

萬書紅

（中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266555）

在傳統(tǒng)的電子電工實(shí)驗(yàn)中，相關(guān)人員對實(shí)驗(yàn)材料不熟悉或者是自身實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^差，都會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想，但是隨著經(jīng)濟(jì)與科技的高速發(fā)展，模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，不僅可以使實(shí)驗(yàn)變得更加具有直觀性和立體感，也能夠簡單化實(shí)驗(yàn)中的抽象知識點(diǎn)，降低了實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用過程中存在的安全隱患，提高了電子電工實(shí)驗(yàn)的操作性和便利性。本文將分析電子電工模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的含義、應(yīng)用優(yōu)勢和模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在電子電工實(shí)驗(yàn)中的實(shí)踐策略。

1 電子電工模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的含義

電子電工模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)被稱為EWB（Electromics Work Bench），也可以被稱為虛擬電子實(shí)驗(yàn)室。在電子電工領(lǐng)域中模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以將實(shí)驗(yàn)參與者的所有設(shè)計(jì)理念應(yīng)用其中，既保障了用戶界面的簡潔性和安全性，也確保了設(shè)備的完善程度。相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)中有14 種分析工具，8 000 多個(gè)元器模型，幾乎覆蓋了所有電子電工設(shè)備和儀器?？梢曰緷M足電子電工實(shí)驗(yàn)過程中需要使用到的各種設(shè)備和儀器。

在實(shí)驗(yàn)過程中運(yùn)用模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)參與者可通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行電力的設(shè)計(jì)檢測和控制分析工作，確定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是否符合相關(guān)要求。而且在實(shí)驗(yàn)過后，也可以通過實(shí)驗(yàn)技術(shù)對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行檢測分析，確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的可行性，進(jìn)而有效減少對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的消耗。

因?yàn)槟M仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)中采用的儀器元器件與實(shí)際形態(tài)的儀器和元器件具有較高的相似程度，因此可以像使用實(shí)物一樣展開實(shí)驗(yàn)，具有較強(qiáng)的真實(shí)感和操作性，還可以根據(jù)條件的變化改變參數(shù)以及電路情況，讓實(shí)驗(yàn)參與者盡快掌握軟件提供的儀器使用方法以及實(shí)驗(yàn)過程，這種實(shí)驗(yàn)方法更加穩(wěn)定有效，是一種安全便捷且成本較低的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

2 模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

2.1 實(shí)驗(yàn)操作簡單

運(yùn)用模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行電子電工實(shí)驗(yàn)，使用的設(shè)備、儀器都不會受到外界環(huán)境的影響，而且還具有較高的可操作性，這樣不僅提高了實(shí)驗(yàn)的可行性，也提高了實(shí)驗(yàn)的效率。采用仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以對整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行仿真處理和仿真顯示，將實(shí)驗(yàn)概念轉(zhuǎn)換為直接的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這種模擬實(shí)驗(yàn)過程相比起一般的理論性知識更加直觀便利，而且運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，操作也更加簡單，避免了復(fù)雜的儀器設(shè)備維修和維護(hù)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)質(zhì)量完全不受影響，為電子電工實(shí)驗(yàn)提供了低成本高效率的實(shí)驗(yàn)方法。

2.2 實(shí)驗(yàn)安全性高

模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中無需操作真實(shí)設(shè)備，但需要和真實(shí)設(shè)備一樣的操作方法和流程，不需要進(jìn)行原件安裝、焊接等相關(guān)程序。在這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街聦?shí)驗(yàn)人員的安全性更高，可以保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)工作過程中，運(yùn)用電流電壓等設(shè)備時(shí)，極易對實(shí)驗(yàn)人員的安全造成威脅，比如在連接電流時(shí)一旦連接位置不正確就會導(dǎo)致線路短路，誘發(fā)火災(zāi)等危險(xiǎn)事件。另外實(shí)驗(yàn)人員若操作不規(guī)范，也有可能會影響到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的性能和安全性，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)丟失，嚴(yán)重的還有可能會損害實(shí)驗(yàn)人員的人身安全，因此在模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用下采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，可以有效避免這些危險(xiǎn)事件的出現(xiàn)，避免操作失誤或操作不當(dāng)引起的設(shè)備損害和實(shí)驗(yàn)人員人身安全問題。

2.3 降低實(shí)驗(yàn)成本

電子電工的實(shí)驗(yàn)成本一直以來都是令人關(guān)注的話題，因?yàn)殡娮与姽x器設(shè)備等設(shè)施，具有較高的維護(hù)費(fèi)用和購買成本，在實(shí)驗(yàn)過程中還容易造成較大的損耗，因此如何能夠降低實(shí)驗(yàn)成本，也成為了當(dāng)下的熱議話題。自從模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)出現(xiàn)之后，采用模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)過程中可以使用元件庫中的多個(gè)設(shè)備和儀器，而且還具備模仿真實(shí)環(huán)境的作用，可以由實(shí)驗(yàn)人員對實(shí)驗(yàn)設(shè)備和線路進(jìn)行調(diào)控。采用這種實(shí)驗(yàn)方法，可以非常直觀地了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，給實(shí)驗(yàn)人員提供足夠的分析空間。而且仿真模擬實(shí)驗(yàn)除了與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不同之外，所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)過程都是一樣的，所以在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)人員可以獲得真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，這樣不僅可以有效降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備的購買成本，也可以減少實(shí)驗(yàn)物品的損壞和消耗。

2.4 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)人員的創(chuàng)新能力

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)人員需要使用真實(shí)的設(shè)備和材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于資金空間等多方面的限制，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)人員無法將自己的想法付諸于實(shí)際，這在一定程度上限制了實(shí)驗(yàn)人員的創(chuàng)新能力發(fā)揮。然而采用模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)人員可以把自己的想法以及所學(xué)習(xí)到的知識作為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，通過自己想要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)方式操作，不用擔(dān)心造成儀器損壞或耗材消耗。這也在極大程度上給實(shí)驗(yàn)人員提供了更加廣闊的實(shí)驗(yàn)空間和實(shí)驗(yàn)渠道。將具體化的實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象呈現(xiàn)給實(shí)驗(yàn)人員，讓實(shí)驗(yàn)人員對自己的想法和思路有更加直觀的感受和認(rèn)識，進(jìn)而有效培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)人員的專業(yè)知識和創(chuàng)新能力。

3 模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用策略

3.1 做好準(zhǔn)備工作，保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量

在模擬實(shí)驗(yàn)過程中需要做好常規(guī)的準(zhǔn)備工作，保障實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，提高實(shí)驗(yàn)成功率。實(shí)驗(yàn)之前需要制定明確的實(shí)驗(yàn)管理制度，讓每一位實(shí)驗(yàn)人員清楚自己的職責(zé)，雖然虛擬實(shí)驗(yàn)并不會給真實(shí)的設(shè)備造成影響，也不存在安全隱患，但是為了保證實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)人員需要在實(shí)驗(yàn)前對虛擬設(shè)備儀器進(jìn)行檢測，保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全性及穩(wěn)定性。相關(guān)管理人員也需要密切監(jiān)管實(shí)驗(yàn)人員的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作可以落到實(shí)處，避免因準(zhǔn)備工作不足引起的實(shí)驗(yàn)失敗。

實(shí)驗(yàn)人員需要在電子電工實(shí)驗(yàn)開始之前先進(jìn)行理論分析，事先設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并利用仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基本性質(zhì)、電路的特點(diǎn)進(jìn)行分析再將其打印出來，為實(shí)驗(yàn)過程中的溝通交流提供便利。另外還需要保障各個(gè)原部件的參數(shù)都維持正常，在輸入原部件之前，最好提前設(shè)計(jì)參數(shù)，也可以利用仿真技術(shù)分析電路中的靜態(tài)和動態(tài)特征。

比如在實(shí)驗(yàn)之前需要仔細(xì)檢查虛擬設(shè)備的線路連接問題、電路穩(wěn)定問題。在做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作之后，不僅可以提高實(shí)驗(yàn)人員的自身專業(yè)能力，也能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的問題，消除潛在實(shí)驗(yàn)隱患，減少實(shí)驗(yàn)失敗率。在此過程中還需要密切觀察實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)變化，比如讀數(shù)、記錄等，提高實(shí)驗(yàn)人員自身的觀察能力和動手能力，讓實(shí)驗(yàn)人員在模擬實(shí)驗(yàn)過程中也能夠保持一個(gè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性和專業(yè)性，最終達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)效果。

3.2 注重理論實(shí)踐，掌握數(shù)據(jù)信息

在傳統(tǒng)的電子電工實(shí)驗(yàn)過程中因?yàn)閷?shí)驗(yàn)成本高、實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)大，很多實(shí)驗(yàn)人員的理論知識無法付諸于實(shí)踐，這也就在一定程度上限制了實(shí)驗(yàn)人員的創(chuàng)新能力和專業(yè)能力發(fā)揮。在模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的支持下，實(shí)驗(yàn)人員可以采用低成本高安全性的實(shí)驗(yàn)方法，將自己本身的理論知識付諸于實(shí)踐，在實(shí)踐過程中既可以了解自己掌握的理論知識是否正確，也能夠在實(shí)驗(yàn)過程中，對失敗問題進(jìn)行總結(jié)，不斷改進(jìn)提高自己的專業(yè)能力和專業(yè)技術(shù)。比如在模擬實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)人員可以將模擬實(shí)驗(yàn)過程中的電路信息與現(xiàn)實(shí)中的電路信息進(jìn)行對比，找出不同點(diǎn)并進(jìn)行調(diào)整和維修。在專業(yè)的電子電工實(shí)驗(yàn)中，模擬仿真技術(shù)也可以幫助實(shí)驗(yàn)人員準(zhǔn)確地了解電力分析技術(shù)，并在短時(shí)間內(nèi)快速了解電路中的節(jié)點(diǎn)信息。

3.3 加強(qiáng)性能分析，提高實(shí)驗(yàn)效率

模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以對數(shù)字以及混合電力等性能進(jìn)行仿真分析，分析方法是通過元器件庫的程序進(jìn)行，當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員創(chuàng)建出一個(gè)實(shí)驗(yàn)線路圖之后就可以按下電源開關(guān)，然后就可以取讀電路中被測出的數(shù)據(jù)。如果電路中的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)人員的預(yù)測結(jié)果不同，就可以輸入一些數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，完成對比之后實(shí)驗(yàn)人員就能夠獲得一個(gè)比較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的運(yùn)用過程中，所有過程都是通過計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的，并在計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)中求得實(shí)驗(yàn)數(shù)值，整個(gè)實(shí)驗(yàn)并沒有固定的模型、彈元器件，但是模型的精準(zhǔn)度也決定了最后實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)案例中可以發(fā)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)軟件可以更加直接地分析出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且在電路調(diào)試方面也具有較高的便捷性，一般模擬軟件創(chuàng)設(shè)出的模擬環(huán)境和實(shí)驗(yàn)設(shè)備都具有較高的真實(shí)度和可操作性，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)人員可通過仿真模擬實(shí)驗(yàn)獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以一般仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果完全符合真實(shí)實(shí)驗(yàn)的要求，也可以通過仿真實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)之后，再進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，以此來降低真實(shí)實(shí)驗(yàn)的失敗率。

3.4 運(yùn)用查詢功能，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)人員觀察力與創(chuàng)造力

模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以解決電子電工實(shí)驗(yàn)過程中面臨的諸多問題，不僅降低了實(shí)驗(yàn)成本，提高了實(shí)驗(yàn)安全性，還可以讓實(shí)驗(yàn)人員以個(gè)人興趣為主參與到實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。因?yàn)榉抡鎸?shí)驗(yàn)技術(shù)的高仿真性和相似性，可以讓實(shí)驗(yàn)人員更加真實(shí)地觀察到整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。比如在一般的模擬實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)人員需要先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程分析和設(shè)計(jì)，但是理論數(shù)據(jù)并不代表實(shí)際結(jié)果，所以采用模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以讓實(shí)驗(yàn)人員親身經(jīng)歷整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，在實(shí)驗(yàn)過程中可以對實(shí)驗(yàn)人員的綜合能力起到良好的培養(yǎng)作用。比如在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)和結(jié)果猜想時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員只能通過自己所學(xué)習(xí)到的知識以及經(jīng)驗(yàn)作為參考依據(jù)猜測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以進(jìn)行電路仿真并分析出電路的性能與特點(diǎn)，讓實(shí)驗(yàn)人員去驗(yàn)證自己的猜想。更重要的是實(shí)驗(yàn)人員還可以借助物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢創(chuàng)建元器件庫模型，這樣就可以讓實(shí)驗(yàn)人員在設(shè)計(jì)完電路圖之后，通過接通電源來了解電路中的各種參數(shù)為實(shí)際實(shí)驗(yàn)提供良好的數(shù)據(jù)支持和理論支持，提高真實(shí)實(shí)驗(yàn)的成功率，同時(shí)還可以通過各種數(shù)據(jù)信息的觀測和對比，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)人員的觀察力和創(chuàng)造力。

3.5 運(yùn)用仿真實(shí)驗(yàn)，檢測實(shí)驗(yàn)質(zhì)量

在電子電工行業(yè)的持續(xù)性發(fā)展中，很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并不能順利完成，因?yàn)樵O(shè)備、儀器以及各種材料的稀缺性導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)工作受限，從而影響了實(shí)驗(yàn)人員的積極性和主動性。因此在電子電工行業(yè)當(dāng)中采用模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以讓實(shí)驗(yàn)人員在模擬環(huán)境下開展與真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境相似的電子電工實(shí)驗(yàn)，不僅可以提高實(shí)驗(yàn)人員的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰筒僮魉?，也可以讓?shí)驗(yàn)人員運(yùn)用仿真模擬實(shí)驗(yàn)，掌握各種設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及基本信息，直觀看到整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行過程以及電流的工作狀態(tài)。

采用這種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，不僅為實(shí)驗(yàn)人員提供了更多實(shí)驗(yàn)機(jī)會，也為實(shí)驗(yàn)人員提供了更多儀器設(shè)備的選擇，盡最大可能讓實(shí)驗(yàn)人員去驗(yàn)證自己的想法和實(shí)驗(yàn)思路，解決了實(shí)驗(yàn)過程中因各種條件無法滿足而造成的實(shí)驗(yàn)失敗，保障實(shí)驗(yàn)成果。模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)還可以運(yùn)用人機(jī)對話模式，讓每一個(gè)實(shí)驗(yàn)人員都可以投入到整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，并親自動手設(shè)置相關(guān)參數(shù)。由于在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，不需要使用到真實(shí)的設(shè)備和儀器，所以實(shí)驗(yàn)人員完全可以在無限制的條件下進(jìn)行多次試驗(yàn)，多次實(shí)驗(yàn)之后也可以將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)人員掌握更加深入的電子電工知識。

所以運(yùn)用模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，不僅可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本和實(shí)驗(yàn)耗損，在實(shí)驗(yàn)過程中也可以用來判斷實(shí)驗(yàn)人員的實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。只要實(shí)驗(yàn)人員本身具備較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)和專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在模擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中就可以運(yùn)用各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)。而且在模擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)人員也可以對自己的實(shí)驗(yàn)質(zhì)量進(jìn)行判斷分析，并通過不斷地完善實(shí)驗(yàn)計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)操作流程，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

4 結(jié)束語

模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)是一項(xiàng)全新的實(shí)用性技術(shù)，將其應(yīng)用到電子電工實(shí)驗(yàn)當(dāng)中可以充分發(fā)揮出模擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，不僅可以有效減少實(shí)驗(yàn)過程中面臨的阻礙和問題，也可以很好地降低實(shí)驗(yàn)成本，保障實(shí)驗(yàn)人員的個(gè)人安全。由于這項(xiàng)技術(shù)目前還處于一個(gè)發(fā)展階段，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及移動終端的不斷發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)還會得到更大的突破，也會給未來的電子電工行業(yè)帶來更大的影響。目前不管是在電子電工行業(yè)，還是在高校電子電工教學(xué)當(dāng)中，運(yùn)用模擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，都可以有效提高原有的實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)水平，相關(guān)人員在實(shí)驗(yàn)過程中還需要對實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行不斷地完善和改進(jìn)，滿足當(dāng)下社會的發(fā)展需求，不斷提高我國電子電工行業(yè)的專業(yè)性。