摘要：電子課程經(jīng)常需要學(xué)習(xí)具有完整功能的電路，限于時(shí)間和資源，只能采用少量進(jìn)行實(shí)物制作和調(diào)試的項(xiàng)目教學(xué)方式，其余項(xiàng)目采用仿真來學(xué)習(xí)的方法。文中介紹了作者自行開發(fā)的模塊式仿真軟件，詳細(xì)討論了這種軟件的特點(diǎn)，得到確有開發(fā)此軟件的現(xiàn)實(shí)需求的結(jié)論。以一個(gè)典型電路為例，從電路連接到仿真過程詳細(xì)討論了模塊式仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐。

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1. 引言

《電子產(chǎn)品裝配與調(diào)試》、《電子技術(shù)》等課程是中高職信息與電子技術(shù)、電子產(chǎn)品裝配等專業(yè)的專業(yè)課，這些課程既有較抽象的理論分析，又有具體的實(shí)踐應(yīng)用。對(duì)學(xué)生的要求是能夠認(rèn)識(shí)電路；能夠在老師的指導(dǎo)下解析較為復(fù)雜的電路，將它們轉(zhuǎn)化為簡單電路的組合；能夠?qū)嶋H制作和調(diào)試這些電路，理解電路的工作原理。一個(gè)電路能實(shí)現(xiàn)的功能使用語言很難描述清楚，通常需要看到電路的運(yùn)行結(jié)果才能有直觀的認(rèn)識(shí)。而電路中一些可調(diào)整元件例如電位器、按鈕開關(guān)、拔動(dòng)開關(guān)等對(duì)于電路的作用難以使用語言描述。應(yīng)用項(xiàng)目教學(xué)法，讓學(xué)生自己動(dòng)手制作電路、調(diào)試電路具有非常好的教學(xué)效果，但這樣的教學(xué)方法對(duì)時(shí)間、資源的消耗都很大，不可能大量應(yīng)用，一門課只能做數(shù)量很少的項(xiàng)目，而大量的電路只能通過講解來分析，效果不佳。虛擬電子實(shí)驗(yàn)是用仿真軟件工具對(duì)電路進(jìn)行模擬和仿真，是一種創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)方法，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，模擬實(shí)際電路運(yùn)行的過程及結(jié)果，并能讓使用者參與電路調(diào)試的過程，既可以節(jié)約大量的時(shí)間和資源，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.模塊式仿真軟件介紹

模塊式仿真軟件是作者使用Visual Studio平臺(tái)及C#語言編寫的仿真軟件，編寫這個(gè)仿真軟件的目的是解決一些仿真軟件在中高職教學(xué)中“好看不好用”的問題。商品化的仿真軟件如常用的Multisim、Proteus等功能強(qiáng)大，為使用者提供了無限的可能性，然而，對(duì)于中高職學(xué)生來說，電路的基本形式都是固定的，不需要用仿真軟件去探索新的電路形式；軟件提供的儀表很多，但學(xué)生需要用到的儀表是有限的，太多的選擇并無實(shí)際意義；軟件所能測量的參數(shù)點(diǎn)幾乎沒有限制，但教學(xué)中實(shí)際需要測量的點(diǎn)卻很有限。所以這些軟件有“理論上”的優(yōu)勢，但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)它們能夠用的場合很有限。而且這些軟件的限制，諸如：版權(quán)問題、搭建電路所需的時(shí)間、學(xué)會(huì)使用這些軟件的學(xué)習(xí)成本、仿真中經(jīng)常出現(xiàn)的收斂性錯(cuò)誤問題、元器件找不到的問題、無法模擬真實(shí)電路調(diào)試時(shí)需要的聲源、熱源、光源等等，制約著這些軟件在教學(xué)工作中的實(shí)際應(yīng)用。

模塊式仿真軟件是基于這些軟件的痛點(diǎn)而提出的概念。它的設(shè)計(jì)思路是：電子電路是以單元電路為形式來組織學(xué)習(xí)的，如三極管放大電路、分壓式仿置放大電路、運(yùn)放組成的反相比例放大電路、同相比例放大電路等，它們的電路形式都不會(huì)隨意變化；而各類常用的集成電路例如穩(wěn)壓、功放等必須按此集成電路數(shù)據(jù)手冊(cè)（DataSheet）提供的參考電路來搭建，否則不能正常工作，也就是它們的電路工作形式是穩(wěn)定不變的。這樣，可以把單元電路作為模塊成為電路搭建的基本單元，而不必將電阻、電容、三極管、二極管等電子元件作為電路搭建的基本單元。以此為指導(dǎo)思想開發(fā)出來的仿真軟件具有如下一些特點(diǎn)：

（1）電路連接極簡單。一個(gè)完整電路一般由3~10個(gè)功能模塊組成，軟件設(shè)計(jì)時(shí)制作相應(yīng)的快捷圖標(biāo)，單擊圖標(biāo)調(diào)出圖塊，稍加拖動(dòng)即可完成布局形成一張完整、清晰的電路圖。單擊“連線”按鈕，在圖塊上標(biāo)示出來的連接點(diǎn)附近單擊即可完成連線。完成一張圖的時(shí)間不超過1分鐘，不論教師上課還是學(xué)生自主練習(xí)，都不會(huì)在這個(gè)環(huán)節(jié)花費(fèi)時(shí)間。

（2）仿真要素清晰。仿真軟件在開發(fā)初期由優(yōu)秀教師團(tuán)隊(duì)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，確定電路圖中需要測試的點(diǎn)，并在相應(yīng)的點(diǎn)放置電壓表、電流表、波形面板等測量工具。這看似限制了教師的自主發(fā)揮，不能像商品化仿真軟件中那樣可以任意點(diǎn)觀察波形、數(shù)據(jù)，但實(shí)際上即便使用真正的硬件電路板進(jìn)行教學(xué)，也只有幾個(gè)點(diǎn)是需要測試的，可以觀察任意點(diǎn)的波形、電壓、電流等并沒有實(shí)際意義。

（3）各功能模塊可以單獨(dú)教學(xué)。例如受控電子開關(guān)電路單元電路，軟件提供了高電平和低電平兩種工具，分別用高電平和低電平連接功能模塊時(shí)，可觀察到電子開關(guān)分別打開和閉合；共陽型接法的LED指示條功能電路，軟件提供了接地工具，用接地工具與相應(yīng)的引腳相連，可以看到對(duì)應(yīng)的LED條點(diǎn)亮?？傊?，仿真軟件既可以完成電路的全部連接以查看該電路的完整功能，也可以對(duì)其中的功能模塊單獨(dú)測試，加深對(duì)這些功能模塊工作原理的理解。

（4）仿真軟件提供了手形圖案、打火機(jī)圖案、揚(yáng)聲器動(dòng)圖、電筒光束圖案、遮光罩圖案、反光板圖案、磁鐵圖案等非電氣元件仿真元素，分別用于觸摸、加熱、發(fā)聲、光照、阻止光照、反射光線、改變磁場等用途。這些是商品化仿真軟件中不具備的，但在實(shí)際電路制作中卻需要對(duì)電路進(jìn)行觸摸、加熱、光照等操作，才能看出電路工作的效果。

（5）仿真軟件提供了指針式萬用表、電位器調(diào)節(jié)界面、拔動(dòng)開關(guān)、按鈕開關(guān)、LED、10段LED顯示條等圖形化的界面，與實(shí)物保持一致，有一些就是用實(shí)物拍照作背景圖，為學(xué)生建構(gòu)真實(shí)的學(xué)習(xí)工作環(huán)境。

以一系列經(jīng)過驗(yàn)證的電路為依據(jù)開發(fā)出數(shù)十個(gè)系列軟件，軟件自主可控，可跟據(jù)時(shí)代發(fā)展、教學(xué)要求不斷更新。由此可知，基于功能模塊的仿真軟件在課程教學(xué)中有著重要的用途。

3.觸摸及聲控報(bào)警項(xiàng)目教學(xué)應(yīng)用

觸摸及聲控報(bào)警電路的實(shí)物如圖1所示，它可以分為觸摸檢測及延時(shí)電路模塊、話筒放大電路模塊、觸發(fā)延時(shí)電路模塊、或門電路模塊、受控報(bào)警電路模塊及為此供電的XL1509開關(guān)電源電路模塊等部分，如圖2所示。

 圖1  觸摸及報(bào)警電路實(shí)物圖  

圖2  觸摸及報(bào)警電路功能模塊劃分

3.1 電路的搭建

打開“觸摸及聲控報(bào)警”仿真軟件，在窗口中有一排工具欄按鈕，分別是“電源”、“穩(wěn)壓電路”、“觸摸檢測電路”、“話筒及放大電路”、“觸發(fā)及延時(shí)電路”、“或門電路”、“受控報(bào)警電路”、“連線”、“低電平、“高電平、“聲源”、“手”、“關(guān)于”等按鈕。單擊按鈕，相應(yīng)圖塊出現(xiàn)在窗口，單擊連線按鈕，將光標(biāo)移到各圖塊指示的電氣接點(diǎn)附近，當(dāng)光標(biāo)變?yōu)槭中螘r(shí)，按下鼠標(biāo)左鍵，即可自動(dòng)連線，拖動(dòng)各圖塊使畫面布置均勻，連線整齊。單擊Run開關(guān)，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。完整的電路及運(yùn)行狀態(tài)如圖3所示，這個(gè)圖作了一些編緝，在每個(gè)圖塊上方寫上了該圖塊的名字，同時(shí)將兩個(gè)電位器調(diào)節(jié)面板的外形縮小了一些并移到圖塊空白位置，以保證不遮擋電路圖。實(shí)際仿真運(yùn)行時(shí)，可以單擊以打開/關(guān)閉電位器調(diào)節(jié)面板，不會(huì)影響看圖。 

圖3 觸摸及聲控報(bào)警電路仿真圖 

3.2 電路的仿真過程

單擊觸摸及延時(shí)電路中的觸摸板圖案，調(diào)出觸摸板外形圖，單擊工具欄“手”按鈕，調(diào)出手形圖案，鼠標(biāo)按住移向觸摸板，當(dāng)其移到觸摸板上后，電路中由555制作而成的單穩(wěn)電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，同時(shí)開始單穩(wěn)態(tài)計(jì)時(shí)。輸出高電平經(jīng)反相器反相后送入或門電路，或門電路由二極管和三極管組成，它有兩個(gè)輸入端，其中任何一個(gè)為低電平都會(huì)使得輸出為低電平?；蜷T電路的輸出端接到受控報(bào)警電路的輸入端，該電路由PNP開關(guān)電路及音樂集成電路組成，當(dāng)其輸入端為低電平時(shí)，PNP三極管做成的電子開關(guān)導(dǎo)通，音樂集成電路得電并發(fā)出報(bào)警聲。移去手形圖案，報(bào)警聲仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，這個(gè)時(shí)間可以由觸摸延時(shí)電路中的電位器來調(diào)節(jié)。單擊電位器圖案調(diào)出電位器面板，用鼠標(biāo)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)以改變阻值，同時(shí)延遲時(shí)間的計(jì)算值也會(huì)圖中直觀地顯示出來。

這個(gè)電路的另一個(gè)功能是聲控報(bào)警，當(dāng)話筒檢測到足夠響的聲音時(shí)即觸發(fā)報(bào)警并具有延時(shí)功能。單擊工具欄上的“揚(yáng)聲器”圖案，調(diào)出音源圖案。單擊話筒放大電路中的話筒元件，調(diào)出話筒的實(shí)物圖，移動(dòng)音源案塊靠近話筒，當(dāng)兩者足夠接近時(shí)，話筒放大電路的輸出端由始終是低電平變?yōu)檩敵龈叩碗娖矫}沖，接入觸發(fā)及延時(shí)電中，經(jīng)反相器后點(diǎn)亮第1個(gè)LED，再次反相后經(jīng)二極管向10μF電容充電，同時(shí)經(jīng)過三級(jí)反相處理后輸出。二極管正向電阻很小，充電很快，電容充電后為高電平，反相后點(diǎn)亮第2個(gè)LED，再經(jīng)2次反相輸出低電平，接至或門電路使其輸出低電平，受控報(bào)警電路開啟發(fā)出報(bào)警聲。移去音源圖案，話筒放大電路中的三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出為低電平，觸發(fā)及延時(shí)電路的第1個(gè)LED立即熄滅，10μF電容因二極管的隔離只能通過100K電阻及串接的1M電位器放電，會(huì)保持一段時(shí)間高電平，在此其間報(bào)警電路仍然報(bào)警。當(dāng)電容放電至低于1/2Vcc后第2個(gè)LED熄滅，電路輸出高電平，報(bào)警電路停止工作。這段時(shí)間可由1M電位器調(diào)整，單擊電位器調(diào)出電位器調(diào)整面板，用鼠標(biāo)調(diào)節(jié)旋鈕改變阻值，延時(shí)時(shí)間值會(huì)在圖中顯示出來。

如果是在加裝了觸摸屏的系統(tǒng)中運(yùn)行軟件，圖塊拖動(dòng)、連線、電位器調(diào)節(jié)等均可由手指觸摸方式來進(jìn)行，更接近于實(shí)際操作。軟件中各輸出點(diǎn)的LED均有亮、滅兩種狀態(tài)，當(dāng)受控報(bào)警電路開始報(bào)警時(shí)，揚(yáng)聲器位置會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的揚(yáng)聲器圖案，而計(jì)算機(jī)也會(huì)播放錄制好的音樂集成電路發(fā)出的報(bào)警聲，整個(gè)仿真過程非常逼真，是目前其他仿真軟件無法做到的。

3.3 教學(xué)設(shè)計(jì)

使用本電路可以學(xué)習(xí)單穩(wěn)態(tài)電路的知識(shí)、RC充放電知識(shí)、人體感應(yīng)電知識(shí)、電子開關(guān)、或門電路、XL1509開關(guān)穩(wěn)壓電源、話筒放大電路等諸多知識(shí)，是典型的綜合性學(xué)習(xí)項(xiàng)目。教學(xué)時(shí)，教師先在仿真軟件中組裝完整的電路，運(yùn)行以觀察電路的工作過程，讓學(xué)生對(duì)整個(gè)電路的工作狀態(tài)有完整的了解，然后讓學(xué)生自行研究各個(gè)單元電路的功能。以或門電路為例，研究中可利用軟件提供的低電平、高電平圖塊分別連接或門電路輸入，通過觀察圖中的LED的狀態(tài)找出或門的規(guī)律，進(jìn)而分析其工作原理。同樣的方法也可以研究開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作電壓極限、受控報(bào)警電路在何種控制信號(hào)下工作、觸摸電路延時(shí)間與電位器的關(guān)系、觸發(fā)及延時(shí)電路延時(shí)時(shí)間與電位器的關(guān)系等。這是一種典型的以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)方式，突破傳統(tǒng)課堂局限，重構(gòu)教學(xué)結(jié)構(gòu)。讓學(xué)生研究些什么，研究到什么程度由教師根據(jù)教學(xué)對(duì)象、教學(xué)目標(biāo)來設(shè)定，并指導(dǎo)學(xué)生逐步完成。借助于仿真軟件，既能讓學(xué)習(xí)者融入情景，成為學(xué)習(xí)的主體，學(xué)得輕松，而且不需要教師進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)，不會(huì)加重教師的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)有效的信息化教學(xué)。

4.結(jié)語

模塊式仿真軟件可以直觀地演示電路的完整工作過程，無需安裝實(shí)物電路，也便于開展遠(yuǎn)程教學(xué)；模塊式仿真軟件可以供給學(xué)生自主學(xué)習(xí)使用，學(xué)生可以操作電位器、拔碼開關(guān)、選擇開關(guān)等各類可調(diào)整器件，模擬實(shí)際電路測試中的熱源位置變化、光源位置變化、反光板位置變化等來探索各單元電路的工作原理。

模塊式仿真軟件適合于綜合性的項(xiàng)目教學(xué)使用，而學(xué)習(xí)基本模塊電路如各類運(yùn)放電路、基本放大電路、負(fù)反饋放大電路、多級(jí)放大電路時(shí)，使用基于元件的仿真軟件可以獲得較好效果。當(dāng)然，如果有足夠的需求與資源的支持，模塊式仿真軟件也可以開發(fā)出各個(gè)基本模塊電路的仿真功能。 

5.教學(xué)場景

1.軟硬結(jié)合虛擬實(shí)訓(xùn)——操作音量指示電路

仿真軟件與電子仿真模擬器（http://cafeforensic.com/zhuanlan/323260.html）連接，軟件將定義儀器面板上的電位器、開關(guān)與電路圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且儀器上相應(yīng)的OLED顯示屏上指示出來。使用者根據(jù)OLED的指示操作各類可操作對(duì)象，效果反映在仿真軟件上。

以下是仿真界面，它可操作的對(duì)象如下中紅色線框起來的3個(gè)開關(guān)、100K電位器、部分的電源開關(guān)和電源電壓調(diào)節(jié)電位器等部分。當(dāng)僅用軟件操作時(shí)，可以點(diǎn)擊開關(guān)圖片切換狀態(tài)，點(diǎn)擊電位器調(diào)出調(diào)節(jié)界面并調(diào)節(jié)它；當(dāng)軟件與硬件相連時(shí)，它們分別被映像到電子仿真模所器的4個(gè)開關(guān)（電路中的3個(gè)+電源開關(guān)）和2個(gè)電位器上，可以根據(jù)這些實(shí)物開關(guān)、電位器下方的OLED顯示屏的指示來調(diào)整它們。

2.軟硬結(jié)合虛擬實(shí)訓(xùn)——電量指示電路

純軟件操作時(shí)可以單擊電位器調(diào)出調(diào)節(jié)界面，用鼠標(biāo)或觸屏方式可以調(diào)節(jié)這些電位器。當(dāng)軟件與電子仿真模擬器連接時(shí)，3個(gè)電位器將映射到硬件上，并用OLED顯示屏告知使用者各電位器定義，使用者可以根據(jù)提示來操作。

3.純軟件操作用于課堂教學(xué)——光控流水燈

教師使用觸摸屏進(jìn)行教學(xué)，簡單拖放即可搭建電路，點(diǎn)擊運(yùn)行即可開始運(yùn)行，調(diào)節(jié)電位器可改變振蕩頻率，進(jìn)而影響右側(cè)10個(gè)LED的流動(dòng)速度；移動(dòng)遮光板到光敏電阻可觀察比較器同相及反相輸入端的電壓及輸出電壓，輸出端的發(fā)光二極管指示輸出情況。

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