浅谈机电一体化专业课教学中的虚拟仿真
虚拟仿真技术是在计算机上虚拟出一个元器件种类齐备、设备先进的电子工作台, 是目前国内最流行的通用电子设计自动化( EDA) 软件组成中的一部分, 是在电路模型上所进行的系统性能分析与研究的方法。它一方面克服了实验室各种条件的限制, 另一方面又可以针对不同目的( 验证、测试、设计、纠错和创新等) 进行训练, 培养学生分析、应用和创新的能力。与传统的实验方式相比,采用电子工作台进行电子线路的分析和设计, 突出了实验教学以学生为中心的开放模式。不仅实验效率得到了提高, 还能使学生熟练地使用仪器并正确掌握的测量方法。
常见的虚拟仿真软件
1、Edison。用它在计算机上进行基础验证模拟实验, 非常适合中学生的使用, 因为Edison的环境是以实体的零件造型, 让初学者有置身于真实电路实验室的感觉, 加上有趣的声、光效果, 使初学者仿佛在游戏中学习, 从而引起初学者对电子电工学领域产生浓厚的兴趣, 使学生增强对电路的感性和理性认识。
2、EWB。与其它电路仿真软件相比较, EWB具有界面直观、操作方便、采用图形方式创建电路等优点, 构造电路、调用元器件和测试仪器等都可以直接从窗口图形中调出, 可以对电子元器件进行一定程度的非线性仿真, 不仅测试仪器的图形与实物相似, 而且测试结果与实际调试基本相似。
3、Protel。Protel是美国Protel公司在80年代末推出的EDA软件, 在电子行业的CAD软件中, 它当之无愧地排在众多EDA软件的前面, 是电子设计者的首选软件, 它较早就在国内开始使用, 在国内的普及率也最高, Protel除了具有电路分析和仿真外, 还主要作为印制板自动布线工具使用。
虚拟仿真实验能有效地解决我校机电一体化专业教学中存在的问题:
1、比较结合我校学生的实际弥补初中电学知识。
众所周知我校的学生基础差、知识底子薄, 将近一半以上的学生是中学还没有毕业的分流生, 在物理课程方面许多学生还没有接触到电学, 学生的层次差异又比较明显。( 本人在机电一体化班级调查得知: 没有学习过电学的学生有7人, 学过电学但没有做过电路试验的学生有14人) 而Edison软件正好能够弥补这一个方面的缺陷, 它能够在学生的自学期间通过人机对话的`方式, 引导学生较快较好地补充初中电学知识。
2、有利于缓解经费紧张的状况。
机电专业本身具有理论难度大,实习设备投入高的特点。一个完整的机电专业实训室包括数字电路实训室、模拟电路实训室、电机控制实训室、可编程控制实训室、电子电工实训室等多个实训室。按每个实训室布置6台实习台计算, 至少需要七、八十万的设备投入。而虚拟仿真实验只需要在我们的计算机上安装仿真软件即可, 甚至不需要花费一分钱。虚拟仿真实验软件便可以提供了高指标的虚拟仪器和充足的虚拟元器件资源。
3、可以实现许多实验中不能实现或难以实现的功能。
虚拟仿真能在各种假定的条件下,甚至是在目前无法实现的条件下, 对电路进行研究。如: 不管是考虑安全因素还是成本, 实验室里都不宜做的破坏性实验, 但虚拟仿真却可以做, 甚至可以做各种故障和非正常性的实验。在研究一个电路方案初期, 可以将影响电路的一些次要因素去掉, 如杂散电容、漏电感等, 以免它们对电路的基本原理和性能产生影响, 从而混淆了对电路的正确理解, 但在制作一个实际电路中却做不到这一点。
4、结合课本, 有利于实验教学和设施利用。
利用虚拟仿真电路, 在《电工与电子技术》课本出现的一百余种电路和试验,基本上都能够在计算机上轻松的完成。虚拟仿真实验的引入, 学生不会因接线出错而造成短路事故, 不会因误操作而造成人员或仪器设备损伤, 不会发生实验室内常见的故障。虚拟仿真电路中学生可以任意设置故障。
5、有利于培养学生创造性思维。
在学习过程中, 学生是主体, 教师是外因。学生学习的主动性和积极性是学习的内因, 教师只有想方设法让内因起作用, 才可能达到良好的教学效果。但在实际实验过程中, 常常受到元器件的限制和固定的实验设备束缚而改变实验设计思路, 也不可避免地存在许多错误与不足, 致使电路调试费时费力, 甚至会引起元器件和设备损坏等问题, 导致实验不能达到预期效果。虚拟仿真实验的引入, 首先给学生的是一种新鲜感,加之动画般的实习过程, 足以充分调动学生的积极性; 其次虚拟仿真实验不仅可以充分对数据采集、储存、分析、处理、传输及控制, 对方案进行论证、选定和设计, 而且可以随时改变电阻的阻值、电容的容量、晶体管及集成电路的型号参数等来调整电路, 使之更加合乎要求, 得出较为理想的电路; 可以巩固和拓展学生所学的基本理论和专业知识, 培养学生综合应用、独立分析和解决实际问题的能力,培养学生的创新意识和创新能力。
虚拟仿真软件不仅仅具有电子仿真的功能, 还具有自动布线, 设计电路原理图和装配图的作用。当今高校的电子专业还专门开设了课程来学习它, 几乎所有的电子公司都要用到它, 许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用Protel。而现在一些全国性的和地方性的电子电工技能竞赛都要求能够使用Protel, 设计电路原理图,制作装配图。因此一些地方虚拟软件的教学已经成为专业教学的一个亮点。
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