摘要：通過(guò)對(duì)仿真教學(xué)的研究，發(fā)現(xiàn)教學(xué)與設(shè)計(jì)對(duì)仿真要求的不同，自行開(kāi)發(fā)教學(xué)仿真軟件。文中通過(guò)對(duì)教學(xué)仿真軟件需求的分析，以所開(kāi)發(fā)軟件為例，進(jìn)行了模塊劃分、功能分析，介紹了開(kāi)發(fā)過(guò)程、開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)方法。

與該軟件配套的硬件設(shè)備請(qǐng)見(jiàn)：http://m.ptau.cn/zhuanlan/323260.html

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利用信息技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)的模式與方法 ，是加快推動(dòng)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的重要途徑。仿真是電類專業(yè)重要的工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方法，Multisim等仿真軟件被當(dāng)作是電類課程重要信息化資源，然而教學(xué)工作不等于開(kāi)發(fā)工作，專業(yè)仿真軟件雖然功能強(qiáng)大但并不完全適用于教學(xué)。作者開(kāi)始對(duì)教學(xué)需求進(jìn)行分析，自行開(kāi)發(fā)了一些教學(xué)仿真軟件。以下通過(guò)對(duì)實(shí)際案例的分析來(lái)說(shuō)明一般仿真軟件與教學(xué)仿真軟件的區(qū)別，教學(xué)仿真軟件的開(kāi)發(fā)方法。

1.教學(xué)仿真軟件與仿真軟件、教學(xué)課件的區(qū)別

仿真技術(shù)是信息化教學(xué)的重要方法，教學(xué)仿真與一般意義上的仿真軟件不同。

1.1仿真目的不同

仿真的目的是探索，用其驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)，找到設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。也就是說(shuō)，仿真軟件仿真的對(duì)象往往是使用者沒(méi)有實(shí)現(xiàn)過(guò)的電路，這就要求仿真軟件要仿得“真”，元器件模型的數(shù)學(xué)描述必須盡可能地與真實(shí)的元器件保持一致，理想的情況是仿真正確后實(shí)物搭出來(lái)也正確。

教學(xué)仿真的目的是學(xué)習(xí)知識(shí)，它所要“仿”的電路都是經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證是正確的電路，或者是經(jīng)無(wú)數(shù)人驗(yàn)證的經(jīng)典電路，它的“仿真”是指模仿這個(gè)電路的真實(shí)工作過(guò)程，讓學(xué)習(xí)者知道這個(gè)電路的工作過(guò)程。

1.2仿真使用者不同

仿真軟件的使用者是有經(jīng)驗(yàn)的工程師或者相當(dāng)于此的學(xué)生，使用仿真軟件覺(jué)得比較“真”，是因?yàn)樗麄冊(cè)趯?shí)際工作中已熟練地使用萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器等各種儀器，通過(guò)觀察各點(diǎn)電壓值、波形等來(lái)獲取電路的信息，一接觸到仿真軟件中幾乎與實(shí)物一致的儀表界面、測(cè)量方法立即會(huì)覺(jué)得非常熟悉、非?！罢妗薄＝虒W(xué)仿真軟件的使用者通常都沒(méi)有工作和訓(xùn)練經(jīng)歷，哪怕再逼真的儀表界面、操作過(guò)程仍不能仿學(xué)生有“真”的感受。因此，不同的使用者，對(duì)于“真”的要求不同。

1.3仿真使用過(guò)程不同

仿真軟件是使用者自主探索，而教學(xué)仿真一般是在老師的指導(dǎo)下使用，是老師設(shè)計(jì)的教學(xué)方案中的一部分資源，同時(shí)在使用時(shí)可以可獲得幫助。仿真軟件有各類功能強(qiáng)大的儀表，卻沒(méi)有諸如聲源、熱源、光源、觸摸等實(shí)際電路測(cè)試所需要功能的模擬。

1.4開(kāi)發(fā)難度不同

仿真軟件需要盡可能正確地“模仿”真實(shí)的器件，這需要對(duì)于電子器件有深入的研究、建立強(qiáng)大的數(shù)學(xué)模型；仿真軟件的各種元器件可以任意地組合（不管這種組合是否合理），需要設(shè)計(jì)精密的算法，防止各種邏輯錯(cuò)誤、數(shù)學(xué)錯(cuò)誤等產(chǎn)生。而教學(xué)仿真軟件是針對(duì)成熟電路的仿真，不論是電路還是電路中的參數(shù)都是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證是正確的；對(duì)于其功能的要求也限于中職至多本科教科書(shū)上的公式，不會(huì)涉及更高深的知識(shí)；電路的參數(shù)測(cè)試點(diǎn)是預(yù)先設(shè)定的。

1.5教學(xué)仿真軟件與教學(xué)課件的區(qū)別

教學(xué)課件是預(yù)先錄制的，即便加上一些簡(jiǎn)單的交互，只是預(yù)設(shè)的答案，給人的感覺(jué)是“游戲”而不是“仿真”，沒(méi)有操作仿真軟件時(shí)的那種真實(shí)感。教學(xué)仿真軟件可以調(diào)節(jié)電位器面板，可以單擊按鈕，可以拔動(dòng)開(kāi)關(guān)，隨著調(diào)節(jié)、單擊、拔動(dòng)，波形會(huì)變、數(shù)值會(huì)就、顯示效果會(huì)變，這一切盡可能真實(shí)地營(yíng)造了與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一致效果，這是教學(xué)課件無(wú)論如何也無(wú)法相比的。

2.教學(xué)仿真軟件的需求

開(kāi)發(fā)教學(xué)仿真軟件首先要選擇適當(dāng)?shù)碾娐纷鳛殚_(kāi)發(fā)對(duì)象，其次要對(duì)這些電路進(jìn)行分析，分解出電路模塊，分析出哪些知識(shí)點(diǎn)是需要進(jìn)行呈現(xiàn)的，最后設(shè)法用代碼和工具將其呈現(xiàn)出來(lái)。

2.1符合電路的工作原理

教學(xué)仿真軟件所選擇的電路一定是經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證是正確的，例如，本人目前所開(kāi)發(fā)的仿真軟件電路全部都已做成實(shí)際的電路板，根據(jù)實(shí)物調(diào)試后記錄的數(shù)據(jù)及相應(yīng)的理論知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)軟件。當(dāng)然，所選電路也可以是公認(rèn)的、經(jīng)典的電路，例如運(yùn)算放大器電路、整流濾波電路、分壓式偏置電路、負(fù)反饋放大電路等。

2.2符合學(xué)習(xí)者當(dāng)前學(xué)習(xí)階段的要求

教學(xué)仿真也是仿真的一種，應(yīng)建立在電子、電工學(xué)模型的基礎(chǔ)上，但它又不同于一般仿真軟件，其知識(shí)體系只需要基于教材中的知識(shí)。例如，對(duì)于當(dāng)前教學(xué)仿真軟件中的三極管放大電路，專業(yè)仿真軟件需要設(shè)置或者使用默認(rèn)晶體管的數(shù)十個(gè)參數(shù)，而教學(xué)仿真軟件應(yīng)用對(duì)象是中、高職學(xué)生，那么只需要按教科書(shū)上的公式代入計(jì)算，其他參數(shù)既不需要也不應(yīng)該加上。

3.教學(xué)仿真軟件的開(kāi)發(fā)實(shí)踐

教學(xué)仿真軟件的開(kāi)發(fā)，需要選擇合適的開(kāi)發(fā)工具，對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行科學(xué)的分析，然后才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作，以下通過(guò)一些實(shí)例來(lái)描述開(kāi)發(fā)過(guò)程。

3.1教學(xué)仿真軟件的開(kāi)發(fā)工具

教學(xué)仿真軟件需要綜合利用圖形、圖像、視頻、動(dòng)畫、數(shù)據(jù)處理等元素，其中的核心是數(shù)據(jù)處理，即要有運(yùn)算能力，按電路的數(shù)學(xué)模型來(lái)獲得不同的結(jié)果。與課件相比，畫面的真實(shí)感等并不是最主要的，說(shuō)到畫面的真實(shí)，又如何比得上實(shí)物更真實(shí)呢。因此，一般課件制作用的PPT、FLASH等就不是最佳選擇了。作者選擇了快速開(kāi)發(fā)（RAD）工具Visual Studio，編程語(yǔ)言選擇了C#，也可以使用Visual Basic等其他編程語(yǔ)言。

3.2 教學(xué)仿真軟件開(kāi)發(fā)的實(shí)踐

教學(xué)仿真軟件選擇帶有模塊化設(shè)計(jì)思想的電路作為開(kāi)發(fā)對(duì)象，這類電路將各部分功能模塊化，模塊功能相對(duì)獨(dú)立，各模塊連接關(guān)系較為清晰，便于分析講解。下面以若干例子來(lái)講解開(kāi)發(fā)過(guò)程，其中第1個(gè)例子詳細(xì)解說(shuō)，其他例子則作簡(jiǎn)單介紹。

1.光控流水燈教學(xué)仿真軟件

光控流水燈電路可分成了以下一些功能模塊：電源模塊；光敏電阻檢測(cè)模塊；可控振蕩電路模塊；CD4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊。

光控流水燈實(shí)物

（1）電源模塊

使用7805作為穩(wěn)壓集成電路，在輸入端接入合適的電源后，能提供5V電源給后級(jí)電路使用。關(guān)于此模塊可以設(shè)計(jì)兩個(gè)仿真功能：①按數(shù)據(jù)手冊(cè)，7805的輸入電壓在低于8V時(shí)不能保證其輸出電壓的穩(wěn)定。為此，將外部供電電源設(shè)置為可調(diào)，當(dāng)穩(wěn)壓電路輸入電壓高于8V時(shí)，輸出5V電源，電路工作正常。輸入電壓低于8V時(shí)，輸出電壓按0.6乘以輸入值來(lái)計(jì)算。②按數(shù)據(jù)手冊(cè)，7805的輸入電壓最大為35V，當(dāng)外部供電電壓超過(guò)35V時(shí)7805損壞，編程呈現(xiàn)芯片燒毀的畫面并讓輸出電壓降為0V。

（2）光敏電阻檢測(cè)模塊

這個(gè)功能模塊使用運(yùn)放制作的比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)，光敏電阻與電位器串聯(lián)，其連接點(diǎn)作為比較器的同相端輸入，運(yùn)放的反相端接固定電阻分壓器的中點(diǎn)。預(yù)設(shè)光敏電阻的阻值為20K，此阻值使得無(wú)光照無(wú)遮擋時(shí)模塊輸出低電平。使用遮光罩（一個(gè)黑色的圓形圖案）移向光敏電阻上方時(shí)，電阻值不斷增加，同相端電壓上升，當(dāng)遮光罩達(dá)到一定位置時(shí)，比較器輸出高電平。

單擊電位器圖標(biāo)調(diào)出電位器調(diào)節(jié)面板，調(diào)整電位器阻值，使比較器開(kāi)始時(shí)輸出高電平。然后使用電筒圖案模擬光源，接近光敏電阻，令光敏電阻阻值下降，同相端電位下降，最終使得輸出變?yōu)榈碗娖健?/span>

本模塊中用到電位器調(diào)整界面，可以用鼠標(biāo)或者在觸摸屏上用手指來(lái)調(diào)整阻值大小，用到label控件，顯示同相端和反相端的電壓值；用到七段數(shù)碼管顯示控件做成電壓表；用到picbox控制顯示的亮/滅狀態(tài)的發(fā)光二極管圖片。這樣，光敏電阻檢測(cè)功能模塊就很形象地演示出了光敏電阻檢測(cè)的過(guò)程，讓使用者了解到其工作原理、電位器的用途、比較器工作原理等知識(shí)。

（3）可控振蕩電路模塊

這是用555電路制作的振蕩電路，第4腳被引出成為控制端，當(dāng)該端為高電平時(shí)，振蕩電路工作，為低電平則不工作。電路中有電位器，可以調(diào)出并調(diào)整阻值。輸出端設(shè)計(jì)了panel制作的示波器面板，其中放置一個(gè)picbox作為繪圖區(qū)，其余空白區(qū)域放置3個(gè)label，分別顯示其頻率值、高電平持續(xù)時(shí)間和低電平持續(xù)時(shí)間。電位器面板調(diào)出后，其位置變換事件不斷調(diào)用計(jì)算及繪圖函數(shù)，獲得真實(shí)的波形圖。

（4）CD4017流水燈模塊

CD4017在輸入端CLK脈沖的作用下，其輸出端Q0~Q9所接發(fā)光二極管依次點(diǎn)亮。在發(fā)光二極管圖案上方放置一個(gè)panel，在panel中放置10個(gè)picbox，通過(guò)編程來(lái)判斷Q0~Q9的狀態(tài)，然后根據(jù)這些狀態(tài)值分別為這些picbox調(diào)入亮/滅LED的圖案，即可形成真實(shí)的仿真。在輸出端Q6~Q9端，分別接入4位指拔開(kāi)關(guān)的輸入，指拔開(kāi)關(guān)的另一端通過(guò)二極管隔離后加到復(fù)位端。當(dāng)某個(gè)引腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，若相應(yīng)位的指拔開(kāi)關(guān)處于接通位置，則該位的高電平將加到復(fù)位端，使得CD4017復(fù)位，回到原始的狀態(tài)，即復(fù)位開(kāi)關(guān)可以使得燈的流動(dòng)提前結(jié)束。從接法來(lái)看，可以實(shí)現(xiàn)7、8、9、10共四種不同的燈流動(dòng)的效果。這個(gè)功能模塊可以接到前一級(jí)可控振蕩電路的輸出端，當(dāng)振蕩電路有輸出時(shí)，LED燈依次流動(dòng)，調(diào)整振蕩頻率時(shí)，燈流動(dòng)的速度也隨之發(fā)生變化。還可以將此電路接入專門設(shè)計(jì)的一個(gè)單脈沖發(fā)生器電路上，隨著脈沖發(fā)生器上按鈕的不斷動(dòng)作，讓CD4017輸出端的LED燈依次點(diǎn)亮。這個(gè)功能可讓學(xué)生觀察CD4017的CLK端究竟是上升沿起作用還是下降沿起作用。

綜上所述，光控流水燈的各個(gè)功能模塊既可以單獨(dú)使用以測(cè)試其功能，又可以將它們連起來(lái)形成一個(gè)整體，獲得完整的功能體驗(yàn)。這其中包括很多的可操作對(duì)象，例如可以調(diào)整輸出的穩(wěn)壓電源、可以點(diǎn)擊的測(cè)試按鈕，可以調(diào)整的比較器預(yù)設(shè)值，可以調(diào)整的振蕩電路頻率、可以設(shè)置的拔動(dòng)開(kāi)關(guān)等，可操作性很強(qiáng)。而各種操作也能通過(guò)燈的亮、暗變化、波形的改變、數(shù)據(jù)的顯示等直觀地表達(dá)出來(lái)。這樣的仿真軟件，既便于老師安排相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)講解，也便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

2.音樂(lè)蠟燭教學(xué)仿真軟件

    音樂(lè)蠟燭是可以用打火機(jī)“點(diǎn)燃”用嘴吹滅的電子蠟燭，點(diǎn)燃的蠟燭會(huì)唱生日快樂(lè)歌，同時(shí)有LED隨歌聲搖曳發(fā)光，十分逼真。電路可以分為熱敏電阻檢測(cè)、聲音檢測(cè)、比較器電路、RS觸發(fā)器、音樂(lè)集成電路等部分。仿真軟件中，熱敏電阻在熱源（打火機(jī)圖形）接近時(shí)阻值不斷下降，音樂(lè)電路可以在滿足工作條件時(shí)顯示動(dòng)態(tài)變化的揚(yáng)聲器圖標(biāo)并播放“生日快樂(lè)”歌。電路功能模塊中RS觸發(fā)器、音樂(lè)集成電路等既可以與其他電路連成一個(gè)整體也可單個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試，軟件提供高電平、低電平等測(cè)試功能模塊，即可分別測(cè)試這些功能模塊的工作過(guò)程，理解其工作原理。

3.電量檢測(cè)電路

電量檢測(cè)是利用一種新型的電量指示管來(lái)顯示可充電電池供電量的多少。這里采用電壓測(cè)量法，使用LM317可調(diào)穩(wěn)壓電路模擬電池電量的變化、TL431基準(zhǔn)源電路、恒流電路為核心構(gòu)成的測(cè)試基準(zhǔn)電壓生成電路、比較器電路、采樣電路、電量管電路等部分組成。其中LM317、恒流電路、基準(zhǔn)生成電路中均包括電位器，可以分別用作電池端電壓模擬、恒流電流大小調(diào)節(jié)，基準(zhǔn)電壓調(diào)節(jié)等功能，有顯示儀表，可以顯示電壓值、電流值、基準(zhǔn)電壓值等。

4.觸摸及聲控報(bào)警電路

觸摸報(bào)警電路利用人體感應(yīng)電壓觸發(fā)555單穩(wěn)態(tài)電路，利用話筒放大聲音驅(qū)動(dòng)反相器電路組成的單穩(wěn)態(tài)電路，實(shí)現(xiàn)觸摸/聲控后報(bào)警并具有延時(shí)功能。電路分為XL1509電源模塊、觸摸檢測(cè)電路、聲音檢測(cè)及延時(shí)電路、或門電路、音樂(lè)電路等部分。仿真軟件中設(shè)計(jì)了手指形圖塊，移到觸摸檢測(cè)部分的觸摸板上可令其輸出為低電平，并且保持一段時(shí)間，時(shí)間長(zhǎng)短可由電路中的電位器調(diào)節(jié)。聲音檢測(cè)電路在聲音圖標(biāo)出現(xiàn)并達(dá)到合適距離后，使其輸出由低電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)反相器反相后，驅(qū)動(dòng)指示二極管發(fā)光，表示聲音強(qiáng)度已足夠，并給電容快速充滿電，再經(jīng)變換后輸出同樣變?yōu)榈碗娖?，送到或門電路；當(dāng)聲音圖塊移去，輸入端的LED指示燈立即熄滅，而由于電容放電作用，輸出端會(huì)延時(shí)一段時(shí)間再變回高電平，因此輸出指示燈還會(huì)亮一段時(shí)間，這段時(shí)間可由電位器調(diào)節(jié)。不論是哪一路信號(hào)送入或門電路，或門都將輸出低電平，驅(qū)動(dòng)音樂(lè)集成電路，令其顯示揚(yáng)聲器圖標(biāo)并播放報(bào)警聲。各部分電路除可以組合成完整的功能外，均可以單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試，以分別理解各功能電路塊的作用。

電路搭建中

搭建完成并在教學(xué)中應(yīng)用

3.3 RAD開(kāi)發(fā)工具

RAD工具的好處在于可視化的編緝與操作，通過(guò)簡(jiǎn)單的拖、放控件可設(shè)計(jì)出所需要的界面。然后通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各個(gè)控件之間的邏輯關(guān)聯(lián)，即可完成開(kāi)發(fā)工作。以目前所開(kāi)發(fā)的教學(xué)仿真軟件為例，它們所需要的控件基本上就是“l(fā)abel”、”toolstrip”、”picbox”、“panel”等幾種類型。label用于顯示各類提示、運(yùn)算的結(jié)果等，toolstrip用于設(shè)計(jì)菜單，picbox用于存放各類圖片，panel用作容器，可以在其中放置多個(gè)picbox、label等其他控件，組成復(fù)合圖案。通過(guò)設(shè)置控制的visiable屬性即可令其顯示出來(lái)或者隱去，也可以利用其left、Top、width、height等參數(shù)靈活地實(shí)現(xiàn)其尺寸、位置的變化。

4.仿真教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)的問(wèn)題

仿真教學(xué)軟件對(duì)于開(kāi)發(fā)者的要求較高，開(kāi)發(fā)者必須具有專業(yè)電子知識(shí)，這樣才能選擇合適的電路來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)；開(kāi)發(fā)者還必須是優(yōu)秀的教師，這樣才能將電路分成合適的模塊，并且安排各模塊的功能及需要測(cè)試的功能，安排好仿真的內(nèi)容。仿真教學(xué)軟件還需要編程，不論是使用C#、VB或者其他編程語(yǔ)言，它總是要比PPT的制作要難一些。當(dāng)然，PPT的制作也并不容易，不過(guò)，制作PPT時(shí)，實(shí)在做不下去時(shí)，隨意做幾個(gè)頁(yè)面，放一些文字或圖片也能實(shí)現(xiàn)，只是質(zhì)量很差。涉及到編程就無(wú)法用這樣的方法了。從這個(gè)意義上說(shuō)，仿真軟件開(kāi)發(fā)更難一些。但實(shí)際上，不論做什么，想要做得好就沒(méi)有容易的。

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