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機電一體化專業課教學的虛擬仿真
虛擬仿真技術是在計算機上虛擬出一個元器件種類齊備、設備先進的電子工作臺, 是目前國內最流行的通用電子設計自動化( EDA) 軟件組成中的一部分, 是在電路模型上所進行的系統性能分析與研究的方法。它一方面克服了實驗室各種條件的限制, 另一方面又可以針對不同目的( 驗證、測試、設計、糾錯和創新等) 進行訓練, 培養學生分析、應用和創新的能力。與傳統的實驗方式相比,采用電子工作臺進行電子線路的分析和設計, 突出了實驗教學以學生為中心的開放模式。不僅實驗效率得到了提高, 還能使學生熟練地使用儀器并正確掌握的測量方法。
常見的虛擬仿真軟件1、Edison。用它在計算機上進行基礎驗證模擬實驗, 非常適合中學生的使用, 因為Edison的環境是以實體的零件造型, 讓初學者有置身于真實電路實驗室的感覺, 加上有趣的聲、光效果, 使初學者仿佛在游戲中學習, 從而引起初學者對電子電工學領域產生濃厚的興趣, 使學生增強對電路的感性和理性認識。
2、EWB。與其它電路仿真軟件相比較, EWB具有界面直觀、操作方便、采用圖形方式創建電路等優點, 構造電路、調用元器件和測試儀器等都可以直接從窗口圖形中調出, 可以對電子元器件進行一定程度的非線性仿真, 不僅測試儀器的圖形與實物相似, 而且測試結果與實際調試基本相似。
3、Protel。Protel是美國Protel公司在80年代末推出的EDA軟件, 在電子行業的CAD軟件中, 它當之無愧地排在眾多EDA軟件的前面, 是電子設計者的首選軟件, 它較早就在國內開始使用, 在國內的普及率也最高, Protel除了具有電路分析和仿真外, 還主要作為印制板自動布線工具使用。
虛擬仿真實驗能有效地解決我校機電一體化專業教學中存在的問題:
1、比較結合我校學生的實際彌補初中電學知識。
眾所周知我校的學生基礎差、知識底子薄, 將近一半以上的學生是中學還沒有畢業的分流生, 在物理課程方面許多學生還沒有接觸到電學, 學生的層次差異又比較明顯。( 本人在機電一體化班級調查得知: 沒有學習過電學的學生有7人, 學過電學但沒有做過電路試驗的學生有14人) 而Edison軟件正好能夠彌補這一個方面的缺陷, 它能夠在學生的自學期間通過人機對話的方式, 引導學生較快較好地補充初中電學知識。
2、有利于緩解經費緊張的狀況。
機電專業本身具有理論難度大,實習設備投入高的特點。一個完整的機電專業實訓室包括數字電路實訓室、模擬電路實訓室、電機控制實訓室、可編程控制實訓室、電子電工實訓室等多個實訓室。
按每個實訓室布置6臺實習臺計算, 至少需要七、八十萬的設備投入。而虛擬仿真實驗只需要在我們的計算機上安裝仿真軟件即可, 甚至不需要花費一分錢。虛擬仿真實驗軟件便可以提供了高指標的虛擬儀器和充足的虛擬元器件資源。
3、可以實現許多實驗中不能實現或難以實現的功能。
虛擬仿真能在各種假定的條件下,甚至是在目前無法實現的條件下, 對電路進行研究。如: 不管是考慮安全因素還是成本, 實驗室里都不宜做的破壞性實驗, 但虛擬仿真卻可以做, 甚至可以做各種故障和非正常性的實驗。在研究一個電路方案初期, 可以將影響電路的一些次要因素去掉, 如雜散電容、漏電感等, 以免它們對電路的基本原理和性能產生影響, 從而混淆了對電路的正確理解, 但在制作一個實際電路中卻做不到這一點。
4、結合課本, 有利于實驗教學和設施利用。
利用虛擬仿真電路, 在《電工與電子技術》課本出現的一百余種電路和試驗,基本上都能夠在計算機上輕松的完成。
虛擬仿真實驗的引入, 學生不會因接線出錯而造成短路事故, 不會因誤操作而造成人員或儀器設備損傷, 不會發生實驗室內常見的故障。虛擬仿真電路中學生可以任意設置故障。
5、有利于培養學生創造性思維。
在學習過程中, 學生是主體, 教師是外因。學生學習的主動性和積極性是學習的內因, 教師只有想方設法讓內因起作用, 才可能達到良好的教學效果。但在實際實驗過程中, 常常受到元器件的限制和固定的實驗設備束縛而改變實驗設計思路, 也不可避免地存在許多錯誤與不足, 致使電路調試費時費力, 甚至會引起元器件和設備損壞等問題, 導致實驗不能達到預期效果。虛擬仿真實驗的引入, 首先給學生的是一種新鮮感,加之動畫般的實習過程, 足以充分調動學生的積極性; 其次虛擬仿真實驗不僅可以充分對數據采集、儲存、分析、處理、傳輸及控制, 對方案進行論證、選定和設計, 而且可以隨時改變電阻的阻值、電容的容量、晶體管及集成電路的型號參數等來調整電路, 使之更加合乎要求, 得出較為理想的電路; 可以鞏固和拓展學生所學的基本理論和專業知識, 培養學生綜合應用、獨立分析和解決實際問題的能力,培養學生的創新意識和創新能力。
虛擬仿真軟件不僅僅具有電子仿真的功能, 還具有自動布線, 設計電路原理圖和裝配圖的作用。當今高校的電子專業還專門開設了課程來學習它, 幾乎所有的電子公司都要用到它, 許多大公司在招聘電子設計人才時在其條件欄上常會寫著要求會使用Protel。而現在一些全國性的和地方性的電子電工技能競賽都要求能夠使用Protel, 設計電路原理圖,制作裝配圖。因此一些地方虛擬軟件的教學已經成為專業教學的一個亮點。
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