侯俊才 傅隆生

西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 陜西楊凌 712100

基于Protues仿真的電工電子技術(shù)教學(xué)改革

侯俊才 傅隆生

西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 陜西楊凌 712100

在傳統(tǒng)的電工電子技術(shù)教學(xué)中，理論教學(xué)顯得枯燥乏味，實(shí)驗(yàn)速度慢，且元件設(shè)備損壞率較高，效果不佳，學(xué)生缺少實(shí)踐鍛煉。為了改變這一現(xiàn)狀，通過在教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)中引入了基于Proteus仿真的教學(xué)改革，使得課堂教學(xué)具有生動性和可視性，實(shí)驗(yàn)的成功率提高，元件設(shè)備的壞損率降低，學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)中創(chuàng)新能力和動手能力得到了提高，教學(xué)效果顯著提高。

Proteus；仿真；實(shí)踐

電工電子技術(shù)是工科非電專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，由于當(dāng)今社會的每一領(lǐng)域都與電有著聯(lián)系，學(xué)好這門課對于解釋現(xiàn)實(shí)生活諸多與電相關(guān)的現(xiàn)象，解決工作中設(shè)備儀器的與電學(xué)的相關(guān)問題有著直接的幫助。電工電子技術(shù)這門課程涵蓋范圍較廣，內(nèi)容包括了電路分析的基本知識、交流電路、磁路、三相交流電路、電動機(jī)、模擬電路和數(shù)字電路等電工學(xué)和電子學(xué)的諸多知識點(diǎn)。通過這門課程的學(xué)習(xí)對培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力具有獨(dú)特的作用。針對多年的教學(xué)實(shí)踐中遇到的問題，我們在該課程教學(xué)環(huán)節(jié)中引入了Proteus仿真與實(shí)物設(shè)計(jì)結(jié)合的改革措施，加深了學(xué)生對理論知識的理解，熟悉了實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)，提高了學(xué)習(xí)興趣，得到了基本的技能訓(xùn)練；提高了學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，取得了良好的教學(xué)效果。

1 電工電子傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足

傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，教學(xué)環(huán)節(jié)以教師花大量時間講授基本原理、基本知識為主，學(xué)生缺少學(xué)習(xí)興趣、缺乏學(xué)習(xí)主動性；實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)多為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如疊加原理、戴維寧定理、單管放大電路、組合邏輯設(shè)計(jì)、觸發(fā)器等，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中不需要思考和分析，只是機(jī)械地、被動地按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行操作，實(shí)驗(yàn)過程死板，限制了學(xué)生的思維，使學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣。而且實(shí)驗(yàn)中由于學(xué)生操作錯誤或失誤往往出現(xiàn)短路、燒保險以致?lián)p壞儀器儀表等現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)安全事故。為了解決以上問題，將虛擬仿真軟件Proteus引入電工電子學(xué)的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的興趣，也可在課余時間通過仿真驗(yàn)證所學(xué)知識；在實(shí)物實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)連接和測量，以期提高對實(shí)驗(yàn)電路的本質(zhì)認(rèn)識，達(dá)到掌握理論知識和提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的目的。同時以虛擬軟件為平臺，結(jié)合學(xué)生的興趣，設(shè)計(jì)實(shí)用電路，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、自學(xué)能力和動手能力。這樣學(xué)生可以充分利用課余時間發(fā)揮主動性和創(chuàng)造性，進(jìn)行實(shí)用電路的設(shè)計(jì)，另外還可以節(jié)省硬件投入、減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞，提高實(shí)驗(yàn)的成功率。

2 Proteus在電工電子教學(xué)中的應(yīng)用

Protues是一款EDA工具軟件，除了像其他EDA軟件一樣具有仿真基本電路功能外，還有單片機(jī)仿真功能，還可以實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)，是當(dāng)前教學(xué)和科研領(lǐng)域流行的電路設(shè)計(jì)軟件之一。其上手容易、仿真演示功能強(qiáng)大，很適合于教學(xué)。

2.1 Proteus在理論教學(xué)中的應(yīng)用

在電工電子的教學(xué)環(huán)節(jié)中，Proteus仿真的引入通過直觀的感性認(rèn)識可以加深學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握。很多知識點(diǎn)都可以用Proteus仿真來演示。例如疊加原理，學(xué)生學(xué)習(xí)單電源作用電路時對其他電源的處理容易出錯，經(jīng)過仿真演示就可以加深理解。如圖1所示，在Proteus下，電流表和電壓表被認(rèn)為是理想器件，即認(rèn)為電壓表內(nèi)阻為∞，電流表內(nèi)阻為0，此條件下，a中在12 V和6 V電源共同作用下，R3兩端電壓和流過的電流分別為4.2 V和0.08 A，方向如圖所示。該電壓和電流等于b和c中12 V，6 V兩個電源單獨(dú)對R3作用時的3.6 V，0.07 A和0.6 V，0.01 A的代數(shù)和，相當(dāng)于單電源作用時另一電壓源做短路處理。在仿真演示的強(qiáng)化下可使學(xué)生加深對疊加原理的理解。

圖1 疊加原理的Proteus仿真

2.2 Proteus在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

在電工電子實(shí)驗(yàn)中教師經(jīng)常碰到一個棘手的問題，那就是由于學(xué)生以前接觸電工電子實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備機(jī)會較少，因此在實(shí)驗(yàn)前教師要花大量時間指導(dǎo)學(xué)生使用儀器設(shè)備，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時間不夠用，另外也避免不了出現(xiàn)儀器設(shè)備的損壞。為了讓學(xué)生提前掌握設(shè)備儀器的基本用法和減少損失，我們的做法就是提前做出Proteus仿真下的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，讓學(xué)生在課余時間完成仿真實(shí)驗(yàn)，然后再進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)。例如負(fù)反饋放大器實(shí)驗(yàn)。將Proteus仿真實(shí)驗(yàn)布置為作為課余作業(yè)，要求在Protues下完成電路連接，如圖2所示。要求指出每個元件的作用，測量靜態(tài)工作點(diǎn)，并完成觀察改變輸入信號us時負(fù)載RL上電壓的變化情況，以及去除負(fù)反饋RF和CF時輸入輸出間信號的變化情況。

圖2 負(fù)反饋放大器實(shí)驗(yàn)仿真圖

在仿真電路的連接和實(shí)驗(yàn)過程中，帶著問題操作，進(jìn)而強(qiáng)化了對電路的理解，掌握了示波器的調(diào)節(jié)方法，加深了對負(fù)反饋的認(rèn)識。然后再在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)。由于Proteus仿真中的元件及測量儀器儀表（如電壓表、電流表、示波器）的使用方法幾乎和實(shí)物使用方法一樣，學(xué)生通過在仿真環(huán)境下親自連接電路和測量就弄清楚了電路結(jié)構(gòu)，儀器儀表的使用方法，經(jīng)過如此過程，在實(shí)物實(shí)驗(yàn)時就已經(jīng)熟悉了電路接法和實(shí)驗(yàn)的目的，從而實(shí)物實(shí)驗(yàn)時速度明顯加快，電路連接的準(zhǔn)確率和儀器儀表的使用的正確性得到提高，從而設(shè)備的損壞率明顯降低，實(shí)驗(yàn)效果也得到明顯提高。

3 Proteus在電工電子設(shè)計(jì)實(shí)踐中的應(yīng)用

學(xué)生思維活躍，有時根據(jù)所學(xué)知識產(chǎn)生一些奇思妙想，但是由于財力和資源所限往往無法進(jìn)行去實(shí)現(xiàn)。例如，有學(xué)生根據(jù)聲控?zé)粼硐氲铰暱仫L(fēng)扇，但是由于沒有實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器或擔(dān)心損壞設(shè)備而不敢去實(shí)踐，最后不了了之。如果借助于仿真軟件Proteus就可以將其想法通過仿真來進(jìn)行驗(yàn)證，在仿真可行后，就可以利用實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

我們在教學(xué)中要求學(xué)生制作光控?zé)綦娐?，要求其上網(wǎng)查閱資料，設(shè)計(jì)出控制電路，并利用Proteus豐富的元件庫，實(shí)現(xiàn)電路的仿真，然后提供實(shí)物，讓其搭建實(shí)物電路。簡單光控?zé)舴抡骐娐啡鐖D3所示，Proteus聽過了模擬光照的光敏電阻（TORCH-LDR），通過改變手電與光敏電阻的距離實(shí)現(xiàn)光線的強(qiáng)弱變化。在這樣的實(shí)踐過程中，提高了學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生掌握了一般電路設(shè)計(jì)方法，學(xué)習(xí)了文獻(xiàn)的查閱，并鍛煉了其動手能力。

經(jīng)過這樣的訓(xùn)練后，學(xué)生在進(jìn)行科技創(chuàng)新時就不會盲目購買元器件，他們先在Proteus下搭建電路進(jìn)行仿真—參數(shù)調(diào)整—再仿真—再參數(shù)調(diào)整，通過仿真軟件下反復(fù)調(diào)試，等仿真電路滿足設(shè)計(jì)要求后，再根據(jù)成功的仿真電路選擇購買相關(guān)器件搭建電路。如此一來使得科技創(chuàng)新設(shè)計(jì)的成功率提高，由于有針對性的購買器件，所以浪費(fèi)很少，科技創(chuàng)新成本盡可能地降低了。

圖3 光控?zé)舴抡骐娐?/p>

4 結(jié)束語

在電工電子技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐中引入Proteus，可增加理論教學(xué)的生動性與可視性，加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)電路的理解，使實(shí)物實(shí)驗(yàn)成功率得到提高，元器件及設(shè)備毀壞率降低。實(shí)驗(yàn)電路的軟件仿真與實(shí)物搭建，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了提高，鍛煉了學(xué)生設(shè)計(jì)能力與動手能力，使得電工電子技術(shù)的教學(xué)變得生動，與傳統(tǒng)教學(xué)法相比較效果明顯提高。基于Proteus的虛擬仿真給學(xué)生提供了無須硬件投入電路的驗(yàn)證環(huán)境，對創(chuàng)新設(shè)計(jì)和后期的動手搭建電路有著積極的推動作用，在我校學(xué)生的電子創(chuàng)新中發(fā)揮了重要作用。

［1］丁守成.理工科電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25（3）：114-117.

［2］楊成剛，劉奮成，柯黎明.基于卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃的焊接理論基礎(chǔ)課程教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.教育教學(xué)論壇，2014（3）：29-30.

［3］王海波.基于Multisim仿真軟件的電工電子實(shí)踐教學(xué)改革［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（9）：221-222.

［4］秦毅男，廖曉輝.基于PSPICE的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2005（2）：46-48.

［5］張興初，孫志兵，侯繼紅.淺談基于Protues實(shí)測的模擬電子技術(shù)教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2010（7）：96-97.

Teaching Reform of Electrical and Electronic Technology
Based on Proteus Simulation

Hou Juncai， Fu Longsheng
College of Mechanical and Electric Engineering， Northwest A&F University， Yangling， 712100， China

For electrical and electronic technology， theory teaching is boring， its experiment is time-costing， and elements of equipment are damaged frequently， the chance of practice for students is lack. In order to improve the teaching of the course， the simulation software is applied into the procedure of teaching， experiment and practice. The reform makes the classroom teaching is vivid and visual， the success rate of the experiment is improved， the damaged elements of equipment reduce， and the creative ability of the students is improved， practical ability of students have been improved， the teaching looks successful.

proteus； simulation； practice

2015-03-18

侯俊才，博士，講師。

西北農(nóng)林科技大學(xué)課程教學(xué)改革研究項(xiàng)目（編號：JY1302060）；西北農(nóng)林科技大學(xué)2014年本科優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)項(xiàng)目（數(shù)字電子技術(shù)）；西北農(nóng)林科技大學(xué)優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)項(xiàng)目〔電工電子技術(shù)（丙）〕。