虚拟仿真技术在电子类实验课程项目教学中的应用.pdf

虚拟仿真技术在电子类实验课程项目教学中的应用虚拟仿真技术在电子类实验课程项目教学中的应用杨烈君;吴玉芹【摘【摘 要】要】结合电子类实验课程项目的教学特点,阐述了虚拟仿真技术的优势与重要性.应用 Proteus 虚拟仿真软件平台,结合项目实例教学,进行教学实验模拟.为加深学生对理论知识的理解,实施过程中要认真制定项目内容,设计适合仿真教学的实验项目,把握好实验进度.融虚拟仿真技术于实验项目的教学模式,能够增强学生学习兴趣,激发学生思维,对电子类实验课程改革有较好的借鉴意义.【期刊名称】【期刊名称】宁德师范学院学报（自然科学版）【年【年(卷卷),),期】期】2016(028)004【总页数】【总页数】5 页(P444-448)【关键词】【关键词】虚拟仿真技术;电子类实验;项目教学【作【作 者】者】杨烈君;吴玉芹【作者单位】【作者单位】宁德师范学院计算机系,福建宁德 352100;宁德师范学院计算机系,福建宁德 352100【正文语种】【正文语种】中 文【中图分类】【中图分类】TP391.9随着 EDA 技术的飞速发展，虚拟仿真技术已逐步成为高校教师开展实验教学的重要方法与手段.受传统观念影响，在电子类实验教学中普遍存在诸多问题：如实验内容陈旧，实验仪器维修周期长，更新率低下，实验人员及资金投入相对匮乏，特别是由于经费所限，实验设施建设相对落后，不能完全满足实验要求.虚拟仿真技术能突破原有电子实验设备的限制，能够在电子类课程教学中结合项目实例，融入虚拟仿真教学，构建出高效的仿真实验课程.虚拟仿真技术包括虚拟现实与虚拟仿真.虚拟现实技术是利用图形学、人机交互、物联网、人工智能等多种技术，通过计算机硬件、软件和传感器构成的三维模拟环境，进行真实情境的模拟，通过人机交互技术，让人如置身真实环境般在虚拟环境中进行互动.在实验教学中，虚拟现实主要体现在软件虚拟出实验环境和实验仪器功能.虚拟仿真技术是在网络通讯、虚拟现实与数字媒体等众多技术基础上，利用处理器将仿真技术与虚拟现实技术相结合进行环境模拟，并在虚拟的环境下控制实体.集成化、信息化与网络化的虚拟仿真技术，为现代教育的发展指出了新的方向1.在实验中利用仿真软件模拟电路环境与运行过程，达到与真实实验一致的效果.常用的电子虚拟仿真软件有 Altium Designer、Proteus、Labview、Matlab 等.以下通过实例说明虚拟仿真技术在电子类课程实验项目教学中的应用.传统电子类课程有教学理论性强、学生理解困难、实验相对独立、项目设计综合性强等特点.课程实验通常是通过实验箱、组合实验台上插接电路，配合常用的电子仪器仪表如数字万用表、示波器、频谱仪等，对电路的参数进行测量.为更好地通过仿真器来观察实验情况，对系统资源和接口电路的理解，有时需借助控制芯片和丰富的外围器件，编写程序代码来驱动硬件设备2.目前，在传统实验教学中普遍存在着以下问题.2.1 创设教学情境存在难度对电子类实践性很强的课程而言，要创设一个积极活跃的教学情境存在很大的难度.传统电子类实验教学存在着实验项目多、课程人数多、仪器设备不足、教师紧缺、课时有限等问题.同时，学生在实验过程中过多地依赖实验指导书，造成学生“知其然，不知所以然”，学生自主学习的热情与创新应用的能力不能很好地得以激发.2.2 实验设备相对滞后部分先进设备仪器和元器件购置费用相对较高，加之资金缺乏而难以购买或者购置不足.此外由于实验都是带电检测，具有一定的危险性，因此也影响学生更深入地探究实验.理论与实际脱离，限制了学生的创新思维和动手能力.2.3 教学模式少有更新传统的实验教学模式中学生的学习主要是以下方式来进行：教师通过黑板和电子课件进行讲解演示，学生根据规定的实验内容及对应的实验步骤进行实践操作、现象观察、数据记录.教师的演示实验也大多数为验证性实验，在整个知识认知过程中学生一直是被动接受、识记老师讲解的知识，缺少主动学习意识.即使有独立见解，受限于实验室开放时间，无法进行实验验证，学生的创造性和积极性无法得以有效激发，这也导致了学生分析解决问题的能力无法得以很好地提高.3.1 制定教学内容电子类课程对实践操作有较高要求，理论是为技术实践打基础.在实验教学中，教师在教学过程担任引导、辅助角色，教师必须详细地设计仿真实验教学内容，合理安排实验活动，让学生了解仿真软件并熟练应用3.根据电子类课程实验特点，教师设计仿真实验项目，规划实验项目的内容、注意事项、达成效果等.同时，还应注意实验教学内容的顺序，教师提出待实验的项目，让学生仿真模拟操作项目，随后将需要用到的理论、步骤等实验内容及注意事项抛出.这种仿真实验教学在实践操作中强化了理论知识，避免了传统授课中理论的枯燥，具有良好的目标导向.3.2 设计教学过程首先，教师应设计适合模拟仿真操作的实验项目，提出实验的目的，清楚地交待主要实验内容与需要达成的效果，结合传统实验指出本次实验的前后承接关系，这样学生就能形成对实验的一个整体认识.其次，教师应把握好教学时机，适时运用仿真软件的实时效果，将事先准备好的实验效果呈现出来.同时，将实验的主导权交给学生，引导学生独立思考，认真观察实验现象并进行归纳总结，让学生在仿真实验的过程中体验学习成就感.在仿真实验过程中，教师应注意引导学生自行解决实验过程中出现的问题，并在实验结束后督促学生及时对问题进行分类、整理、归纳总结，培养学生自主学习的习惯，为后续的学习奠定坚实的基础.3.3 完善评价与反馈学生通过将仿真实验时无法解决的问题与传统实验进行对比，将质疑点进行分组讨论并提出反馈意见.教师在评价过程中要及时对学生进行肯定与鼓励.这对于学生思维灵活性的增强以及知识的巩固有显著的积极作用.3.4 仿真教学注意问题虚拟仿真技术的引入丰富了电子类课程教学内容；在理论和应用操作上，能够帮助学生对知识更深层次的理解，增强了学生的学习积极性，极大改善了传统教学存在的弊端.但仿真实验不能完全取代实际电子设备进行实验，这样会使学生过度依赖仿真技术，导致实际操作能力下降4.因此，传统教学与仿真教学相结合，实验教学内容的合理设计与教学过程的恰当把控就显得至关重要.4.1 应用要求在实验前，实验教师应认真准备，让学生做好预习，对实验内容有基本了解，同时适当指出实验时可能遇到的问题.通过虚拟电子电路仿真软件，学生在预习的过程中就能充分了解实验原理与仪器使用，同时还能熟悉实验的过程.与传统实验预习通过看枯燥的讲义相比，使用仿真实验学习的效果明显好得多.如果遇到问题，通过虚拟仿真实验，学生可以便捷地找到解决问题的方法.大部分问题学生都能通过相互协作来解决，不仅减轻了实验教师的工作量，学生独立解决问题能力更是得以大幅提升.实验后学生利用网络将实验报告传给老师，老师可以及时地将存在问题反馈给学生，不仅大幅提高了实验教学效率，同时有效巩固了学生对实验内容的深度理解5，6.4.2 实验任务以“花样流水灯”实验为例，介绍采用 Proteus 软件进行虚拟仿真实验的全过程.设计 16 路花样流水灯，见图 1，结合模式与速度调整，进行测试.16 路花样流水灯通过限流电阻分别连接在单片机 P0 和 P1 口，模式与速度调节按键连接 P2 口，数码管连接 P3 口用于显示当前模式.通过 KeilC 编程后生成 Hex 文件导入虚拟 51 单片机，实现按键控制不同模式与速度的花样流水灯效果，并通过LED 数码管显示出模式状态.该实验内容涉及知识点包括定时计数、按键、中断、外部接口技术等.4.3 设计实现（1）KeilC 软件中选择仿真器件为 AT89c51 单片机，频率为 12MHZ，选择创建Hex 文件.（2）编写程序，调试生成 Hex 烧写文件.（3）将生成的 Hex 文件写入 Proteus 中的模拟仿真单片机.（4）仿真运行，观察分析运行结果.（5）根据输出情况进行测试调试.4.4 仿真与调试对程序设计模块进行编译，选择工程文件，根据对应芯片型号进行选择，完成对16 路 LED 流水灯配置下载操作.通过调整模式和加减速按键，观察 LED 花样流水灯效果和数码管的模式状态.电子类课程作为理论与实践综合运用的重要课程，在教学中应用虚拟仿真技术能有效弥补传统实验存在的不足，加深学生对理论知识的掌握，提高学生分析解决实际问题能力.在电子类课程实验项目教学中，应用虚拟仿真软件进行仿真分析，将课程教学的难点与重点进行实时动态仿真，使理论直观生动地应用到实践中，教学效果与传统实验项目教学相比获得极大改善.这种虚拟仿真方式给学生提供了形象逼真的实验效果，学生的学习兴趣被有效激发，动手能力得以大幅提高，也由此带动了教学质量的提升.可以预见，在电子类实验项目教学中融入虚拟仿真技术，是教学发展的必然趋势，对电子类实验课程改革有着较好的借鉴意义.【相关文献】1吴剑威，唐立新.Matlab/Simulink 在“电力电子技术”教学研究中的应用J.合肥师范学院学报，2011，29（6）：38-40.2刘桂英，粟时平.电力电子技术的 Matlab/Simulink 教学仿真实践J.电气电子教学学报，2011，33（2）：87-89.3程思宁，耿 强，姜文波，等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践J.实验技术与管理，2013，30（7）：94-97.4张 白，周春艳，潘俊涛.基于虚拟仿真软件的项目驱动教学方法研究J.计算机教育，2016，22（4）：129-132.5王 海，李 波.虚拟仿真技术在职业教育实践性教学环节中的应用J.中国职业技术教育，2011，24（14）：48-51.6潘正坤，李良荣，邓朝勇，等.开放式电子技术教学方案研究与实施J.实验技术与管理，2013，30（7）：94-97.