摘要：電子課程經常需要學習具有完整功能的電路，限于時間和資源，只能采用少量進行實物制作和調試的項目教學方式，其余項目采用仿真來學習的方法。文中介紹了作者自行開發的模塊式仿真軟件，詳細討論了這種軟件的特點，得到確有開發此軟件的現實需求的結論。以一個典型電路為例，從電路連接到仿真過程詳細討論了模塊式仿真軟件在教學中的應用實踐。

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1. 引言

《電子產品裝配與調試》、《電子技術》等課程是中高職信息與電子技術、電子產品裝配等專業的專業課，這些課程既有較抽象的理論分析，又有具體的實踐應用。對學生的要求是能夠認識電路；能夠在老師的指導下解析較為復雜的電路，將它們轉化為簡單電路的組合；能夠實際制作和調試這些電路，理解電路的工作原理。一個電路能實現的功能使用語言很難描述清楚，通常需要看到電路的運行結果才能有直觀的認識。而電路中一些可調整元件例如電位器、按鈕開關、拔動開關等對于電路的作用難以使用語言描述。應用項目教學法，讓學生自己動手制作電路、調試電路具有非常好的教學效果，但這樣的教學方法對時間、資源的消耗都很大，不可能大量應用，一門課只能做數量很少的項目，而大量的電路只能通過講解來分析，效果不佳。虛擬電子實驗是用仿真軟件工具對電路進行模擬和仿真，是一種創新性的實驗方法，利用計算機強大的運算能力，模擬實際電路運行的過程及結果，并能讓使用者參與電路調試的過程，既可以節約大量的時間和資源，還能激發學生的學習興趣。

2.模塊式仿真軟件介紹

模塊式仿真軟件是作者使用Visual Studio平臺及C#語言編寫的仿真軟件，編寫這個仿真軟件的目的是解決一些仿真軟件在中高職教學中“好看不好用”的問題。商品化的仿真軟件如常用的Multisim、Proteus等功能強大，為使用者提供了無限的可能性，然而，對于中高職學生來說，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，但學生需要用到的儀表是有限的，太多的選擇并無實際意義；軟件所能測量的參數點幾乎沒有限制，但教學中實際需要測量的點卻很有限。所以這些軟件有“理論上”的優勢，但在實踐中發現它們能夠用的場合很有限。而且這些軟件的限制，諸如：版權問題、搭建電路所需的時間、學會使用這些軟件的學習成本、仿真中經常出現的收斂性錯誤問題、元器件找不到的問題、無法模擬真實電路調試時需要的聲源、熱源、光源等等，制約著這些軟件在教學工作中的實際應用。

模塊式仿真軟件是基于這些軟件的痛點而提出的概念。它的設計思路是：電子電路是以單元電路為形式來組織學習的，如三極管放大電路、分壓式仿置放大電路、運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隨意變化；而各類常用的集成電路例如穩壓、功放等必須按此集成電路數據手冊（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。以此為指導思想開發出來的仿真軟件具有如下一些特點：

（1）電路連接極簡單。一個完整電路一般由3~10個功能模塊組成，軟件設計時制作相應的快捷圖標，單擊圖標調出圖塊，稍加拖動即可完成布局形成一張完整、清晰的電路圖。單擊“連線”按鈕，在圖塊上標示出來的連接點附近單擊即可完成連線。完成一張圖的時間不超過1分鐘，不論教師上課還是學生自主練習，都不會在這個環節花費時間。

（2）仿真要素清晰。仿真軟件在開發初期由優秀教師團隊進行教學設計，確定電路圖中需要測試的點，并在相應的點放置電壓表、電流表、波形面板等測量工具。這看似限制了教師的自主發揮，不能像商品化仿真軟件中那樣可以任意點觀察波形、數據，但實際上即便使用真正的硬件電路板進行教學，也只有幾個點是需要測試的，可以觀察任意點的波形、電壓、電流等并沒有實際意義。

（3）各功能模塊可以單獨教學。例如受控電子開關電路單元電路，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，可觀察到電子開關分別打開和閉合；共陽型接法的LED指示條功能電路，軟件提供了接地工具，用接地工具與相應的引腳相連，可以看到對應的LED條點亮?？傊抡孳浖瓤梢酝瓿呻娐返娜窟B接以查看該電路的完整功能，也可以對其中的功能模塊單獨測試，加深對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、打火機圖案、揚聲器動圖、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，但在實際電路制作中卻需要對電路進行觸摸、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、電位器調節界面、拔動開關、按鈕開關、LED、10段LED顯示條等圖形化的界面，與實物保持一致，有一些就是用實物拍照作背景圖，為學生建構真實的學習工作環境。

以一系列經過驗證的電路為依據開發出數十個系列軟件，軟件自主可控，可跟據時代發展、教學要求不斷更新。由此可知，基于功能模塊的仿真軟件在課程教學中有著重要的用途。

3.觸摸及聲控報警項目教學應用

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

 圖1  觸摸及報警電路實物圖  

圖2  觸摸及報警電路功能模塊劃分

3.1 電路的搭建

打開“觸摸及聲控報警”仿真軟件，在窗口中有一排工具欄按鈕，分別是“電源”、“穩壓電路”、“觸摸檢測電路”、“話筒及放大電路”、“觸發及延時電路”、“或門電路”、“受控報警電路”、“連線”、“低電平、“高電平、“聲源”、“手”、“關于”等按鈕。單擊按鈕，相應圖塊出現在窗口，單擊連線按鈕，將光標移到各圖塊指示的電氣接點附近，當光標變為手形時，按下鼠標左鍵，即可自動連線，拖動各圖塊使畫面布置均勻，連線整齊。單擊Run開關，進入運行狀態。完整的電路及運行狀態如圖3所示，這個圖作了一些編緝，在每個圖塊上方寫上了該圖塊的名字，同時將兩個電位器調節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。實際仿真運行時，可以單擊以打開/關閉電位器調節面板，不會影響看圖。 

圖3 觸摸及聲控報警電路仿真圖 

3.2 電路的仿真過程

單擊觸摸及延時電路中的觸摸板圖案，調出觸摸板外形圖，單擊工具欄“手”按鈕，調出手形圖案，鼠標按住移向觸摸板，當其移到觸摸板上后，電路中由555制作而成的單穩電路翻轉，輸出高電平，同時開始單穩態計時。輸出高電平經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，它有兩個輸入端，其中任何一個為低電平都會使得輸出為低電平?；蜷T電路的輸出端接到受控報警電路的輸入端，該電路由PNP開關電路及音樂集成電路組成，當其輸入端為低電平時，PNP三極管做成的電子開關導通，音樂集成電路得電并發出報警聲。移去手形圖案，報警聲仍會持續一段時間，這個時間可以由觸摸延時電路中的電位器來調節。單擊電位器圖案調出電位器面板，用鼠標拖動旋轉以改變阻值，同時延遲時間的計算值也會圖中直觀地顯示出來。

這個電路的另一個功能是聲控報警，當話筒檢測到足夠響的聲音時即觸發報警并具有延時功能。單擊工具欄上的“揚聲器”圖案，調出音源圖案。單擊話筒放大電路中的話筒元件，調出話筒的實物圖，移動音源案塊靠近話筒，當兩者足夠接近時，話筒放大電路的輸出端由始終是低電平變為輸出高低電平脈沖，接入觸發及延時電中，經反相器后點亮第1個LED，再次反相后經二極管向10μF電容充電，同時經過三級反相處理后輸出。二極管正向電阻很小，充電很快，電容充電后為高電平，反相后點亮第2個LED，再經2次反相輸出低電平，接至或門電路使其輸出低電平，受控報警電路開啟發出報警聲。移去音源圖案，話筒放大電路中的三極管處于導通狀態，輸出為低電平，觸發及延時電路的第1個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，會保持一段時間高電平，在此其間報警電路仍然報警。當電容放電至低于1/2Vcc后第2個LED熄滅，電路輸出高電平，報警電路停止工作。這段時間可由1M電位器調整，單擊電位器調出電位器調整面板，用鼠標調節旋鈕改變阻值，延時時間值會在圖中顯示出來。

如果是在加裝了觸摸屏的系統中運行軟件，圖塊拖動、連線、電位器調節等均可由手指觸摸方式來進行，更接近于實際操作。軟件中各輸出點的LED均有亮、滅兩種狀態，當受控報警電路開始報警時，揚聲器位置會出現動態變化的揚聲器圖案，而計算機也會播放錄制好的音樂集成電路發出的報警聲，整個仿真過程非常逼真，是目前其他仿真軟件無法做到的。

3.3 教學設計

使用本電路可以學習單穩態電路的知識、RC充放電知識、人體感應電知識、電子開關、或門電路、XL1509開關穩壓電源、話筒放大電路等諸多知識，是典型的綜合性學習項目。教學時，教師先在仿真軟件中組裝完整的電路，運行以觀察電路的工作過程，讓學生對整個電路的工作狀態有完整的了解，然后讓學生自行研究各個單元電路的功能。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的狀態找出或門的規律，進而分析其工作原理。同樣的方法也可以研究開關穩壓電源的工作電壓極限、受控報警電路在何種控制信號下工作、觸摸電路延時間與電位器的關系、觸發及延時電路延時時間與電位器的關系等。這是一種典型的以學習者為中心的學習方式，突破傳統課堂局限，重構教學結構。讓學生研究些什么，研究到什么程度由教師根據教學對象、教學目標來設定，并指導學生逐步完成。借助于仿真軟件，既能讓學習者融入情景，成為學習的主體，學得輕松，而且不需要教師進行復雜的設計，不會加重教師的負擔，實現有效的信息化教學。

4.結語

模塊式仿真軟件可以直觀地演示電路的完整工作過程，無需安裝實物電路，也便于開展遠程教學；模塊式仿真軟件可以供給學生自主學習使用，學生可以操作電位器、拔碼開關、選擇開關等各類可調整器件，模擬實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目教學使用，而學習基本模塊電路如各類運放電路、基本放大電路、負反饋放大電路、多級放大電路時，使用基于元件的仿真軟件可以獲得較好效果。當然，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出各個基本模塊電路的仿真功能。 

5.教學場景

1.軟硬結合虛擬實訓——操作音量指示電路

仿真軟件與電子仿真模擬器（http://www.j9360.com/zhuanlan/323260.html）連接，軟件將定義儀器面板上的電位器、開關與電路圖的對應關系，并且儀器上相應的OLED顯示屏上指示出來。使用者根據OLED的指示操作各類可操作對象，效果反映在仿真軟件上。

以下是仿真界面，它可操作的對象如下中紅色線框起來的3個開關、100K電位器、部分的電源開關和電源電壓調節電位器等部分。當僅用軟件操作時，可以點擊開關圖片切換狀態，點擊電位器調出調節界面并調節它；當軟件與硬件相連時，它們分別被映像到電子仿真模所器的4個開關（電路中的3個+電源開關）和2個電位器上，可以根據這些實物開關、電位器下方的OLED顯示屏的指示來調整它們。

2.軟硬結合虛擬實訓——電量指示電路

純軟件操作時可以單擊電位器調出調節界面，用鼠標或觸屏方式可以調節這些電位器。當軟件與電子仿真模擬器連接時，3個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，使用者可以根據提示來操作。

3.純軟件操作用于課堂教學——光控流水燈

教師使用觸摸屏進行教學，簡單拖放即可搭建電路，點擊運行即可開始運行，調節電位器可改變振蕩頻率，進而影響右側10個LED的流動速度；移動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，輸出端的發光二極管指示輸出情況。

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