運(yùn)用現(xiàn)代分析軟件優(yōu)化電工電子學(xué)的教學(xué)

1、運(yùn)用現(xiàn)代分析軟件優(yōu)化電工電子學(xué)的教學(xué)姜 珊 雙 凱(石油大學(xué)（北京）機(jī)電學(xué)院機(jī)電系 北京：102200)摘要 本文通過(guò)對(duì)運(yùn)用現(xiàn)代分析軟件輔助教學(xué)及實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)的分析，探討如何發(fā)揮CAI教學(xué)的長(zhǎng)處，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足， 使CAI教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方式有機(jī)結(jié)合，從而提高教學(xué)質(zhì)量和效率，引導(dǎo)學(xué)生熟悉現(xiàn)代分析設(shè)計(jì)方法，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高分析、設(shè)計(jì)能力。關(guān)鍵字 現(xiàn)代分析軟件 電工電子學(xué) 教學(xué)質(zhì)量 優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)電工電子學(xué)課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，而且發(fā)展迅速，內(nèi)容日新月異。近幾年來(lái)，隨著微型計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，各高校普遍采用了各種CAI教學(xué)方法，以期改變舊的教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量和效率，適應(yīng)新形勢(shì)下人才培養(yǎng)的需要

2、。比如制作試題庫(kù)，使考試出題更加規(guī)范，更方便。許多老師們還制作了高質(zhì)量的電子教案，利用電化教學(xué)手段取代傳統(tǒng)的用粉筆板書(shū)的形式，為使授課內(nèi)容更生動(dòng)形象、增大信息量、優(yōu)化板書(shū)以及便于學(xué)生課后上網(wǎng)查詢(xún)進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)等方面，作了大量工作。但CAI教學(xué)的形式遠(yuǎn)不只這些， CAI教學(xué)方法也需要不斷探討和改進(jìn)。就“電子講稿”而言，目前對(duì)其使用仍褒貶不一。利用動(dòng)畫(huà)制作、投影顯示的“電子講稿”確實(shí)有其生動(dòng)、醒目、形象的優(yōu)點(diǎn)，但也應(yīng)看到增大課堂信息量需考慮學(xué)生的承受能力，否則學(xué)生會(huì)應(yīng)跟不上進(jìn)度而失去信心和興趣；另外，電子顯示技術(shù)還不夠發(fā)達(dá)，還不能完全取代課本和筆記本。所以與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，“電子講稿”有其優(yōu)勢(shì)，

3、也有不足。由此我們應(yīng)該看到，把現(xiàn)代分析軟件應(yīng)用到教學(xué)中去，是優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，而不是簡(jiǎn)單的取代，必須立足于發(fā)揮其長(zhǎng)處，去彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，這樣才能達(dá)到最佳教學(xué)效果。那么，與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，利用現(xiàn)代分析軟件輔助教學(xué)的優(yōu)勢(shì)在哪里？如何才能有效地運(yùn)用現(xiàn)代分析軟件優(yōu)化教學(xué)？在此我們將從以下四個(gè)方面探討這些問(wèn)題。（1）眾多現(xiàn)代分析軟件為我們的教學(xué)提供了方便、快捷、直觀、實(shí)用的手段?？s短了理論與實(shí)際的距離。我們?cè)陔姽る娮訉W(xué)的教學(xué)中常會(huì)發(fā)現(xiàn)，有的內(nèi)容抽象難懂，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證加以說(shuō)明，有的內(nèi)容理論與實(shí)際應(yīng)用尚有距離，這時(shí)，我們可以借助現(xiàn)代分析軟件這把金鑰匙來(lái)幫助學(xué)生開(kāi)啟知識(shí)和智慧之門(mén)。例如，節(jié)點(diǎn)電壓法是分析

4、電路常用的重要方法，課堂講解一般僅限于對(duì)簡(jiǎn)單的電路列寫(xiě)方程組并手工計(jì)算。但實(shí)際上，對(duì)一個(gè)實(shí)用電路列寫(xiě)節(jié)點(diǎn)電壓方程組后，我們常會(huì)發(fā)現(xiàn)其求解相當(dāng)復(fù)雜。為了幫助學(xué)生把理論應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題，為了對(duì)將來(lái)更復(fù)雜的電路分析和設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，在此可給學(xué)生介紹一個(gè)實(shí)用的工程數(shù)值計(jì)算軟件MATLAB，它主要用于矩陣計(jì)算，可方便地求解線性電路方程組。再如，暫態(tài)過(guò)程的內(nèi)容在理論教學(xué)中占有重要地位，它是客觀存在且在電工電子學(xué)中應(yīng)用廣泛。而此部分內(nèi)容以往僅限于課堂講解，不安排實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橛脗鹘y(tǒng)人工測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法不易觀察。為了驗(yàn)證理論分析與實(shí)際電路響應(yīng)是否相符并給學(xué)生以感性認(rèn)識(shí)，我們可在多媒體教室中用通用電路模擬（分析）軟件PSP

5、ICE有效演示一個(gè)暫態(tài)過(guò)程實(shí)例（圖1）。即通過(guò)分別觀察感性負(fù)載兩端有無(wú)二極管D1時(shí)的測(cè)試點(diǎn)波形可清楚地讓學(xué)生看到暫態(tài)過(guò)程的存在、危害及高反壓的克服，使課堂教學(xué)更生動(dòng)形象，給學(xué)生留下深刻印象。另外，在分析運(yùn)算放大器的應(yīng)用電路時(shí)，對(duì)于振蕩器的振蕩形成過(guò)程的理論分析復(fù)雜而抽象。因此可用PSPICE軟件仿真RC正弦波振蕩器的起振過(guò)程（圖2）， 并結(jié)合理論分析講解。這樣做，更便于學(xué)生對(duì)其實(shí)現(xiàn)原理、過(guò)程的分析理解，從而可獲得較好的教學(xué)效果。 圖1 感性負(fù)載的換路特性及高反壓的克服 圖2 RC正弦波振蕩器的起振（2）使用EDA軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，能有效提高大學(xué)生電子設(shè)計(jì)水平，有利于能力的培養(yǎng)，并

6、能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣。開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和理論聯(lián)系實(shí)際、創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)能起到積極作用。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)一般由教師根據(jù)課程或?qū)I(yè)要求擬定題目?jī)?nèi)容，并提出要求，由學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、獨(dú)立操作，最后寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。進(jìn)行此類(lèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用EDA模擬實(shí)驗(yàn)手段比真實(shí)實(shí)驗(yàn)更占優(yōu)勢(shì)。模擬實(shí)驗(yàn)即利用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件在計(jì)算機(jī)上虛擬出一個(gè)測(cè)試儀表先進(jìn)、元器件種類(lèi)齊全的電子工作臺(tái)。由于電子技術(shù)發(fā)展迅速，實(shí)驗(yàn)室舊的儀器設(shè)備及原有的測(cè)試手段的局限性日益明顯，而EDA軟件如PSPICE仿真軟件中，提供了先進(jìn)而完善的測(cè)試手段和對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析處理方法，使測(cè)試結(jié)果更精確更直觀，對(duì)測(cè)試結(jié)果的分

7、析、處理更加深入完善，且提高了電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的層次和效果。同時(shí)，仿真軟件中大量的儀器、元器件庫(kù)使學(xué)生不必受現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件的限制，可令其放寬設(shè)計(jì)思路，不拘一格，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更活躍，既有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)新事物的適應(yīng)性和敏感性，又利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。比如在做數(shù)字電路綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生采用EDA模擬實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)出各式各樣的方案。象這樣只提供實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，不限制具體實(shí)驗(yàn)方法、器件的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在以往的實(shí)驗(yàn)中往往不好安排。許多同學(xué)表示，在實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)思想的過(guò)程中，對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解更透徹了。另外，應(yīng)用EDA手段便于開(kāi)發(fā)一些學(xué)生感興趣的課件，最大限度地激發(fā)他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，鍛煉他們的思維能力和解決問(wèn)題的能力。 由于現(xiàn)

8、在學(xué)生普遍對(duì)計(jì)算機(jī)、因特網(wǎng)感興趣，學(xué)生個(gè)人擁有計(jì)算機(jī)比例大增，學(xué)生在課余時(shí)間可以充分利用校園網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)這些現(xiàn)代化的教學(xué)資源，進(jìn)行EDA仿真，不受硬件條件和學(xué)時(shí)的限制。如可在課余時(shí)間設(shè)計(jì)一些復(fù)雜而綜合性較強(qiáng)而學(xué)生又感興趣的實(shí)驗(yàn)題目，或解決學(xué)習(xí)中的一些疑問(wèn)。為學(xué)生提供了一種靈活而有效的學(xué)習(xí)手段。（3）引導(dǎo)學(xué)生熟悉現(xiàn)代分析設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)良好的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)習(xí)慣。隨著電子產(chǎn)品的智能化日益完善，要求電子線路設(shè)計(jì)人員必須掌握電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)。以往學(xué)生在設(shè)計(jì)出電路圖后，便用元器件組成實(shí)際電路進(jìn)行性能測(cè)試。出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，常因?yàn)殡娐窂?fù)雜、元件的分散性和環(huán)境條件等原因，無(wú)法確定問(wèn)題是否源于電路的原理?，F(xiàn)代電子設(shè)計(jì)

9、過(guò)程則是在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和實(shí)際測(cè)試之間加入EDA仿真測(cè)試這一步驟，以便使原理設(shè)計(jì)達(dá)到最佳，還可通過(guò)容差分析、最壞情況分析等方法，使設(shè)計(jì)者掌握因元件參數(shù)變化導(dǎo)致電路特性變化的各種可能性，了解實(shí)際元件在誤差允許范圍內(nèi)所得到的運(yùn)行結(jié)果，尋找到最優(yōu)且實(shí)用的設(shè)計(jì)方案。在學(xué)生學(xué)完了相關(guān)課程后，可安排學(xué)生進(jìn)行綜合訓(xùn)練性質(zhì)的電子線路CAD課程設(shè)計(jì)，使其通過(guò)計(jì)算機(jī)完成電路的功能設(shè)計(jì)、性能分析、時(shí)序測(cè)試以及印制電路板的自動(dòng)布線，盡早接觸現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，為其今后從事電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作培養(yǎng)出嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的設(shè)計(jì)習(xí)慣。（4）能有效解決實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的投入與教育經(jīng)費(fèi)不足的矛盾。由于電子技術(shù)發(fā)展迅速，新電路、新器件不斷涌現(xiàn)，為滿足新

10、型電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試的要求，實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)板、元器件就需要不斷更新和調(diào)整，而且有的硬件設(shè)備非常昂貴，此時(shí)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的投入與教育經(jīng)費(fèi)不足的矛盾尤為突出。而采用EDA進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的硬件投入少。實(shí)驗(yàn)課可以充分利用學(xué)校計(jì)算中心的計(jì)算機(jī)教學(xué)設(shè)備開(kāi)設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，可謂“投入少，見(jiàn)效快”。所以，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中必須考慮將EDA融合到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來(lái)。我們采用現(xiàn)代分析計(jì)算軟件輔助教學(xué)以來(lái)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性得到很大提高，收到良好的教學(xué)效果。但我們也注意到，此項(xiàng)改革雖符合科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，但也必須處理好它與傳統(tǒng)教學(xué)方法的關(guān)系。就實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，虛擬實(shí)驗(yàn)不能完全取代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橐媾囵B(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，必須強(qiáng)化基本技能訓(xùn)練，使學(xué)生掌握常用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的性能和操作方法，了解常用元器件的性能和使用，掌握一些基本的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)安全操作和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，為以后開(kāi)設(shè)的設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。所以硬件實(shí)驗(yàn)和測(cè)試手段的培養(yǎng)是十分必要的。因此要合理安排硬件實(shí)驗(yàn)和軟件仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和比例，我們一般只對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)不