模块式仿真软件在电子智慧课堂教学中的实践

发布人：czlyzhj 时间：2023-10-11 来源：工程师发布文章

摘要：电子课程经常需要学习具有完整功能的电路，限于时间和资源，只能采用少量进行实物制作和调试的项目教学方式，其余项目采用仿真来学习的方法。文中介绍了作者自行开发的模块式仿真软件，详细讨论了这种软件的特点，得到确有开发此软件的现实需求的结论。以一个典型电路为例，从电路连接到仿真过程详细讨论了模块式仿真软件在教学中的应用实践。

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1. 引言

《电子产品装配与调试》、《电子技术》等课程是中高职信息与电子技术、电子产品装配等专业的专业课，这些课程既有较抽象的理论分析，又有具体的实践应用。对学生的要求是能够认识电路；能够在老师的指导下解析较为复杂的电路，将它们转化为简单电路的组合；能够实际制作和调试这些电路，理解电路的工作原理。一个电路能实现的功能使用语言很难描述清楚，通常需要看到电路的运行结果才能有直观的认识。而电路中一些可调整元件例如电位器、按钮开关、拔动开关等对于电路的作用难以使用语言描述。应用项目教学法，让学生自己动手制作电路、调试电路具有非常好的教学效果，但这样的教学方法对时间、资源的消耗都很大，不可能大量应用，一门课只能做数量很少的项目，而大量的电路只能通过讲解来分析，效果不佳。虚拟电子实验是用仿真软件工具对电路进行模拟和仿真，是一种创新性的实验方法，利用计算机强大的运算能力，模拟实际电路运行的过程及结果，并能让使用者参与电路调试的过程，既可以节约大量的时间和资源，还能激发学生的学习兴趣。

2.模块式仿真软件介绍

模块式仿真软件是作者使用Visual Studio平台及C#语言编写的仿真软件，编写这个仿真软件的目的是解决一些仿真软件在中高职教学中“好看不好用”的问题。商品化的仿真软件如常用的Multisim、Proteus等功能强大，为使用者提供了无限的可能性，然而，对于中高职学生来说，电路的基本形式都是固定的，不需要用仿真软件去探索新的电路形式；软件提供的仪表很多，但学生需要用到的仪表是有限的，太多的选择并无实际意义；软件所能测量的参数点几乎没有限制，但教学中实际需要测量的点却很有限。所以这些软件有“理论上”的优势，但在实践中发现它们能够用的场合很有限。而且这些软件的限制，诸如：版权问题、搭建电路所需的时间、学会使用这些软件的学习成本、仿真中经常出现的收敛性错误问题、元器件找不到的问题、无法模拟真实电路调试时需要的声源、热源、光源等等，制约着这些软件在教学工作中的实际应用。

模块式仿真软件是基于这些软件的痛点而提出的概念。它的设计思路是：电子电路是以单元电路为形式来组织学习的，如三极管放大电路、分压式仿置放大电路、运放组成的反相比例放大电路、同相比例放大电路等，它们的电路形式都不会随意变化；而各类常用的集成电路例如稳压、功放等必须按此集成电路数据手册（DataSheet）提供的参考电路来搭建，否则不能正常工作，也就是它们的电路工作形式是稳定不变的。这样，可以把单元电路作为模块成为电路搭建的基本单元，而不必将电阻、电容、三极管、二极管等电子元件作为电路搭建的基本单元。以此为指导思想开发出来的仿真软件具有如下一些特点：

（1）电路连接极简单。一个完整电路一般由3~10个功能模块组成，软件设计时制作相应的快捷图标，单击图标调出图块，稍加拖动即可完成布局形成一张完整、清晰的电路图。单击“连线”按钮，在图块上标示出来的连接点附近单击即可完成连线。完成一张图的时间不超过1分钟，不论教师上课还是学生自主练习，都不会在这个环节花费时间。

（2）仿真要素清晰。仿真软件在开发初期由优秀教师团队进行教学设计，确定电路图中需要测试的点，并在相应的点放置电压表、电流表、波形面板等测量工具。这看似限制了教师的自主发挥，不能像商品化仿真软件中那样可以任意点观察波形、数据，但实际上即便使用真正的硬件电路板进行教学，也只有几个点是需要测试的，可以观察任意点的波形、电压、电流等并没有实际意义。

（3）各功能模块可以单独教学。例如受控电子开关电路单元电路，软件提供了高电平和低电平两种工具，分别用高电平和低电平连接功能模块时，可观察到电子开关分别打开和闭合；共阳型接法的LED指示条功能电路，软件提供了接地工具，用接地工具与相应的引脚相连，可以看到对应的LED条点亮。总之，仿真软件既可以完成电路的全部连接以查看该电路的完整功能，也可以对其中的功能模块单独测试，加深对这些功能模块工作原理的理解。

（4）仿真软件提供了手形图案、打火机图案、扬声器动图、电筒光束图案、遮光罩图案、反光板图案、磁铁图案等非电气元件仿真元素，分别用于触摸、加热、发声、光照、阻止光照、反射光线、改变磁场等用途。这些是商品化仿真软件中不具备的，但在实际电路制作中却需要对电路进行触摸、加热、光照等操作，才能看出电路工作的效果。

（5）仿真软件提供了指针式万用表、电位器调节界面、拔动开关、按钮开关、LED、10段LED显示条等图形化的界面，与实物保持一致，有一些就是用实物拍照作背景图，为学生建构真实的学习工作环境。

以一系列经过验证的电路为依据开发出数十个系列软件，软件自主可控，可跟据时代发展、教学要求不断更新。由此可知，基于功能模块的仿真软件在课程教学中有着重要的用途。

3.触摸及声控报警项目教学应用

触摸及声控报警电路的实物如图1所示，它可以分为触摸检测及延时电路模块、话筒放大电路模块、触发延时电路模块、或门电路模块、受控报警电路模块及为此供电的XL1509开关电源电路模块等部分，如图2所示。

图1 触摸及报警电路实物图

图2 触摸及报警电路功能模块划分

3.1 电路的搭建

打开“触摸及声控报警”仿真软件，在窗口中有一排工具栏按钮，分别是“电源”、“稳压电路”、“触摸检测电路”、“话筒及放大电路”、“触发及延时电路”、“或门电路”、“受控报警电路”、“连线”、“低电平、“高电平、“声源”、“手”、“关于”等按钮。单击按钮，相应图块出现在窗口，单击连线按钮，将光标移到各图块指示的电气接点附近，当光标变为手形时，按下鼠标左键，即可自动连线，拖动各图块使画面布置均匀，连线整齐。单击Run开关，进入运行状态。完整的电路及运行状态如图3所示，这个图作了一些编缉，在每个图块上方写上了该图块的名字，同时将两个电位器调节面板的外形缩小了一些并移到图块空白位置，以保证不遮挡电路图。实际仿真运行时，可以单击以打开/关闭电位器调节面板，不会影响看图。

图3 触摸及声控报警电路仿真图

3.2 电路的仿真过程

单击触摸及延时电路中的触摸板图案，调出触摸板外形图，单击工具栏“手”按钮，调出手形图案，鼠标按住移向触摸板，当其移到触摸板上后，电路中由555制作而成的单稳电路翻转，输出高电平，同时开始单稳态计时。输出高电平经反相器反相后送入或门电路，或门电路由二极管和三极管组成，它有两个输入端，其中任何一个为低电平都会使得输出为低电平。或门电路的输出端接到受控报警电路的输入端，该电路由PNP开关电路及音乐集成电路组成，当其输入端为低电平时，PNP三极管做成的电子开关导通，音乐集成电路得电并发出报警声。移去手形图案，报警声仍会持续一段时间，这个时间可以由触摸延时电路中的电位器来调节。单击电位器图案调出电位器面板，用鼠标拖动旋转以改变阻值，同时延迟时间的计算值也会图中直观地显示出来。

这个电路的另一个功能是声控报警，当话筒检测到足够响的声音时即触发报警并具有延时功能。单击工具栏上的“扬声器”图案，调出音源图案。单击话筒放大电路中的话筒元件，调出话筒的实物图，移动音源案块靠近话筒，当两者足够接近时，话筒放大电路的输出端由始终是低电平变为输出高低电平脉冲，接入触发及延时电中，经反相器后点亮第1个LED，再次反相后经二极管向10µF电容充电，同时经过三级反相处理后输出。二极管正向电阻很小，充电很快，电容充电后为高电平，反相后点亮第2个LED，再经2次反相输出低电平，接至或门电路使其输出低电平，受控报警电路开启发出报警声。移去音源图案，话筒放大电路中的三极管处于导通状态，输出为低电平，触发及延时电路的第1个LED立即熄灭，10µF电容因二极管的隔离只能通过100K电阻及串接的1M电位器放电，会保持一段时间高电平，在此其间报警电路仍然报警。当电容放电至低于1/2Vcc后第2个LED熄灭，电路输出高电平，报警电路停止工作。这段时间可由1M电位器调整，单击电位器调出电位器调整面板，用鼠标调节旋钮改变阻值，延时时间值会在图中显示出来。

如果是在加装了触摸屏的系统中运行软件，图块拖动、连线、电位器调节等均可由手指触摸方式来进行，更接近于实际操作。软件中各输出点的LED均有亮、灭两种状态，当受控报警电路开始报警时，扬声器位置会出现动态变化的扬声器图案，而计算机也会播放录制好的音乐集成电路发出的报警声，整个仿真过程非常逼真，是目前其他仿真软件无法做到的。

3.3 教学设计

使用本电路可以学习单稳态电路的知识、RC充放电知识、人体感应电知识、电子开关、或门电路、XL1509开关稳压电源、话筒放大电路等诸多知识，是典型的综合性学习项目。教学时，教师先在仿真软件中组装完整的电路，运行以观察电路的工作过程，让学生对整个电路的工作状态有完整的了解，然后让学生自行研究各个单元电路的功能。以或门电路为例，研究中可利用软件提供的低电平、高电平图块分别连接或门电路输入，通过观察图中的LED的状态找出或门的规律，进而分析其工作原理。同样的方法也可以研究开关稳压电源的工作电压极限、受控报警电路在何种控制信号下工作、触摸电路延时间与电位器的关系、触发及延时电路延时时间与电位器的关系等。这是一种典型的以学习者为中心的学习方式，突破传统课堂局限，重构教学结构。让学生研究些什么，研究到什么程度由教师根据教学对象、教学目标来设定，并指导学生逐步完成。借助于仿真软件，既能让学习者融入情景，成为学习的主体，学得轻松，而且不需要教师进行复杂的设计，不会加重教师的负担，实现有效的信息化教学。

4.结语

模块式仿真软件可以直观地演示电路的完整工作过程，无需安装实物电路，也便于开展远程教学；模块式仿真软件可以供给学生自主学习使用，学生可以操作电位器、拔码开关、选择开关等各类可调整器件，模拟实际电路测试中的热源位置变化、光源位置变化、反光板位置变化等来探索各单元电路的工作原理。

模块式仿真软件适合于综合性的项目教学使用，而学习基本模块电路如各类运放电路、基本放大电路、负反馈放大电路、多级放大电路时，使用基于元件的仿真软件可以获得较好效果。当然，如果有足够的需求与资源的支持，模块式仿真软件也可以开发出各个基本模块电路的仿真功能。

5.教学场景

1.软硬结合虚拟实训——操作音量指示电路

仿真软件与电子仿真模拟器（//www.cghlg.com/zhuanlan/323260.html）连接，软件将定义仪器面板上的电位器、开关与电路图的对应关系，并且仪器上相应的OLED显示屏上指示出来。使用者根据OLED的指示操作各类可操作对象，效果反映在仿真软件上。

以下是仿真界面，它可操作的对象如下中红色线框起来的3个开关、100K电位器、部分的电源开关和电源电压调节电位器等部分。当仅用软件操作时，可以点击开关图片切换状态，点击电位器调出调节界面并调节它；当软件与硬件相连时，它们分别被映像到电子仿真模所器的4个开关（电路中的3个+电源开关）和2个电位器上，可以根据这些实物开关、电位器下方的OLED显示屏的指示来调整它们。