電工電子學(xué)仿真與實(shí)踐教學(xué)探究

高路　王建明　孟瑞華

摘要：為了使理工科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生對(duì)電工電子學(xué)理論知識(shí)有更加深入的理解，契合產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的教學(xué)理念，切實(shí)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平和質(zhì)量，聯(lián)合研制了符合現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容的電工電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，推出了與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相匹配的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件。電工電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)包含多元化的實(shí)驗(yàn)?zāi)K和專(zhuān)業(yè)測(cè)量?jī)x表，操作性、安全性、功能性得到顯著提升，相匹配的仿真軟件解決了學(xué)生理論知識(shí)掌握不牢、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟磺宓葐?wèn)題。相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)踐廣度和深度得到提升，學(xué)生綜合競(jìng)爭(zhēng)能力得到提高。

關(guān)鍵詞： 電工電子學(xué)；實(shí)驗(yàn)臺(tái)；虛擬仿真軟件；教學(xué)質(zhì)量；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）01-0149-02

1 引言

電工電子學(xué)是高等院校理工科專(zhuān)業(yè)開(kāi)放的基礎(chǔ)必修課之一，闡述了電工電子技術(shù)必要的基本理論、基本知識(shí)和基本技能[1-2]。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將了解電路基本概念和基本定律、電路的暫態(tài)分析、單相正弦交流電路、半導(dǎo)體三極管及交流放大電路、集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用、數(shù)字組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路等。學(xué)完本課程，學(xué)生基于理論電學(xué)知識(shí)，將具備一定的電路分析能力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，獲得基本電路問(wèn)題解決能力，為后續(xù)的專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)和工程技術(shù)探索打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

高等院校開(kāi)展電工電子學(xué)教學(xué)工作的同時(shí)，開(kāi)展了與理論教學(xué)內(nèi)容相匹配的實(shí)驗(yàn)課程[3]。從驗(yàn)證和探索兩個(gè)維度展開(kāi)，從淺入深幫助學(xué)生掌握電工電子技術(shù)的基本概念和技能，通過(guò)實(shí)踐彌補(bǔ)教學(xué)工作中的問(wèn)題與不足，支撐教學(xué)工作高效開(kāi)展，優(yōu)化教學(xué)模式，是高等院校卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃的重要一環(huán)，是培養(yǎng)符合時(shí)代發(fā)展的重要人才的重要手段。但電工電子學(xué)在現(xiàn)代時(shí)代背景下，存在該課程的特殊性，其知識(shí)點(diǎn)繁多，應(yīng)用性強(qiáng)，面向?qū)I(yè)廣。材料、化學(xué)、環(huán)境等非電子信息相關(guān)專(zhuān)業(yè)在進(jìn)行相關(guān)電工電子實(shí)驗(yàn)時(shí)多表現(xiàn)出無(wú)從下手、不知所措等現(xiàn)象[4]，理論知識(shí)和實(shí)踐操作存在割裂問(wèn)題，同時(shí)無(wú)法接觸符合時(shí)代發(fā)展的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和仿真環(huán)境，脫離社會(huì)產(chǎn)業(yè)需求。針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題與不足，結(jié)合高等院校對(duì)理工科專(zhuān)業(yè)的電工電子學(xué)教學(xué)要求，聯(lián)合研制了專(zhuān)用電工臺(tái)以及配套的仿真實(shí)驗(yàn)軟件[5]。

雖然在國(guó)內(nèi)很多高校已經(jīng)開(kāi)設(shè)了電子相關(guān)的仿真課程，但基本都是在電子信息相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)必修課課程設(shè)計(jì)中展開(kāi)，如TI-Tina、Proteus等綜合性仿真開(kāi)發(fā)軟件[6-8]，對(duì)前期學(xué)生在基礎(chǔ)課中的學(xué)習(xí)沒(méi)有幫助，且學(xué)生在初始學(xué)習(xí)階段缺乏結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的仿真開(kāi)發(fā)能力，仍然無(wú)法填補(bǔ)學(xué)習(xí)初期理論與實(shí)踐的溝壑。所研制的專(zhuān)用電工臺(tái)根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合不同教學(xué)單元設(shè)置了模塊化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，儀表測(cè)量模式和測(cè)量精度符合現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)需求，專(zhuān)用電工臺(tái)具備操作簡(jiǎn)易、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、測(cè)量手段先進(jìn)等優(yōu)勢(shì)。配套虛擬仿真軟件可滿(mǎn)足學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備需求，作為理論和實(shí)驗(yàn)的有效銜接手段，仿真環(huán)境簡(jiǎn)約易上手，仿真結(jié)果易觀察，對(duì)非電子信息專(zhuān)業(yè)學(xué)生友好，同時(shí)也具備為專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)的學(xué)生提供創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和探索平臺(tái)的能力。通過(guò)專(zhuān)用電工臺(tái)和仿真軟件的有效結(jié)合，可解決長(zhǎng)期存在的理論實(shí)踐割裂問(wèn)題。

“新工科”背景下[9-11]，結(jié)合專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)臺(tái)和配套仿真軟件，層次化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從理論學(xué)習(xí)、仿真驗(yàn)證、實(shí)踐操作展開(kāi)，引導(dǎo)學(xué)生深入理解電工電子學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)支撐電工電子學(xué)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力，滿(mǎn)足社會(huì)需求。

2 電工電子學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)介紹

電工電子技術(shù)原理虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件，是為電工電子學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置配套的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件，將高效支持“電工電子學(xué)”的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)提供界面友好、功能豐富的操作軟件，在軟件應(yīng)用中，除了滿(mǎn)足一般的軟件仿真需要外，更加貼合實(shí)際，將真實(shí)儀表誤差工作范圍及使用方法代入軟件，使學(xué)生更快更好地掌握儀器、儀表的使用。

電工電子技術(shù)原理虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件基于NI公司推出的LabVIEW和Multism進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究所，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[12]。該軟件集成了多元化的通信協(xié)議，且內(nèi)置了豐富的標(biāo)準(zhǔn)軟件函數(shù)庫(kù)，其圖形化的編程方式可以方便用戶(hù)快捷建立自己的虛擬儀器。電工電子技術(shù)原理虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)電源及儀表，電源插件可提供實(shí)驗(yàn)所需0～30V直流電壓源，0～200mA電流源、0～20Vpp/0～1MHz方波、正弦波、三角波信號(hào)源、0～430V交流電源，電源自帶儀表可直接讀數(shù)，儀表插件包括，四檔200mV～200V直流電壓表、四檔2mA～2A直流電流表、五檔200mV～750V智能直流電壓表、五檔2mA～3A智能直流電流表、500V交流電壓表，3A交流電流表，1500VA交流功率及功率因數(shù)表，1M頻率計(jì)，部分虛擬測(cè)量?jī)x表如圖1所示。

基于Multisim電路仿真軟件構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)所需的基本電路，Multisim提煉了SPICE模型仿真的復(fù)雜內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)器件建模及仿真、電路的構(gòu)建及仿真以及系統(tǒng)的組成及仿真[13]。Multisim嵌入LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬測(cè)量?jī)x表，結(jié)合不同教學(xué)單元設(shè)置的模塊化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，構(gòu)建了虛擬仿真環(huán)境，供學(xué)生進(jìn)行調(diào)試和觀察。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含線性與非線性元件伏安特性的測(cè)驗(yàn)、基爾霍夫定律的驗(yàn)證、線性電路疊加性和齊次性驗(yàn)證、戴維南定理和諾頓定理的驗(yàn)證、最大功率傳輸條件的研究、二階動(dòng)態(tài)電路響應(yīng)的研究等直流實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以及三相電路電壓電流的測(cè)量、功率因數(shù)的測(cè)試等交流實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

圖2為電工電子技術(shù)原理虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件中的線性與非線性元件伏安特性的測(cè)驗(yàn)單元，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)合該仿真環(huán)境觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與理論學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)環(huán)境已搭建實(shí)驗(yàn)電路及虛擬儀器，極大化地降低了仿真軟件的入門(mén)門(mén)檻，對(duì)非電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生友好，且虛擬儀器設(shè)計(jì)貼合實(shí)際，為專(zhuān)用電工臺(tái)實(shí)驗(yàn)做好銜接準(zhǔn)備工作。而具備探索精神的學(xué)生可以通過(guò)該單元仿真進(jìn)行自由修改，驗(yàn)證所學(xué)所想。電工電子技術(shù)原理虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件的易操作性和可探索性兼?zhèn)洹?/p>

3 電工電子學(xué)專(zhuān)用電工臺(tái)介紹

電工電子學(xué)專(zhuān)用電工臺(tái)是為了滿(mǎn)足學(xué)生理論知識(shí)的驗(yàn)證和探索需求。電工電子學(xué)專(zhuān)用電工臺(tái)設(shè)計(jì)之初，在滿(mǎn)足理論教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，考慮了設(shè)備的可操作性、多功能性、先進(jìn)性以及安全性，電工臺(tái)如圖3所示。

可操作性是極大化地簡(jiǎn)略了多余的連接元件、安插元件、更換電路等操作，在面板上構(gòu)建了不同教學(xué)單元的基本實(shí)驗(yàn)電路，對(duì)基本電阻、電容等常規(guī)元件固化處理，預(yù)留了關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)、電氣測(cè)量節(jié)點(diǎn)，為學(xué)生節(jié)省了大量的拆裝時(shí)間，突出實(shí)驗(yàn)效率，將時(shí)間更多地留給學(xué)生調(diào)試、觀察和思考；多功能性和先進(jìn)性是采用了符合時(shí)代發(fā)展的現(xiàn)代化工業(yè)儀表，如專(zhuān)用電工臺(tái)內(nèi)嵌RIGOL公司開(kāi)發(fā)的DG812型集函數(shù)發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、噪聲發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、諧波發(fā)生器、模擬/數(shù)字調(diào)制器、頻率計(jì)等功能于一身的多功能信號(hào)發(fā)生器，以多功能、高性能、觸摸屏操作為特點(diǎn)?？烧{(diào)電阻選用的數(shù)字式可調(diào)電阻，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械式可調(diào)電阻，具有可斷開(kāi)、調(diào)節(jié)精度高、易調(diào)節(jié)等優(yōu)勢(shì)。交流電路參數(shù)測(cè)量?jī)x表為專(zhuān)用工業(yè)多功能儀表，

具有三相交流電流、電壓、功率、功率因數(shù)等測(cè)試功能；安全性是基于電氣安全和設(shè)備安全，電工電子學(xué)實(shí)驗(yàn)存在該學(xué)科的特殊性，強(qiáng)弱電混合，存在一定的安全隱患，針對(duì)電氣安全，對(duì)連接線頭、連接節(jié)點(diǎn)、電氣測(cè)量節(jié)點(diǎn)都做了外延絕緣措施，對(duì)燈泡等外露元件制作了有機(jī)玻璃罩，大大降低學(xué)生誤觸電氣節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在關(guān)鍵電氣節(jié)點(diǎn)上設(shè)置了不同閾值的保險(xiǎn)絲，降低了設(shè)備、元件損毀的風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)驗(yàn)損耗。

4 結(jié)論

電工電子學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面向理工科專(zhuān)業(yè)開(kāi)展，理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的割裂現(xiàn)象大大降低了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。電工電子學(xué)虛擬仿真軟件匹配實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，銜接實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為學(xué)生從理論到實(shí)踐的過(guò)渡提供了有效支撐，在操作性和探索性上得到均衡。專(zhuān)用電工臺(tái)功能性、專(zhuān)業(yè)性、先進(jìn)性符合時(shí)代發(fā)展需求，滿(mǎn)足學(xué)生驗(yàn)證和探索雙維度的需求?！靶鹿た啤北尘跋?，電工電子學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)從理論到仿真到實(shí)踐層次化開(kāi)展，為培育卓越工程師打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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【通聯(lián)編輯：王力】