电子仿真模拟器配套教学仿真软件开发

　　摘要：通过对仿真教学的研究，发现教学与设计对仿真要求的不同，自行开发教学仿真软件。文中通过对教学仿真软件需求的分析，以所开发软件为例，进行了模块划分、功能分析，介绍了开发过程、开发工具、开发方法。

　　利用信息技术创新教学的模式与方法 ，是加快推进信息技术与教育教学深层次地融合的重要方法。仿真是电类专业重要的工程设计与开发方法，Multisim等仿真软件被当作是电类课程重要信息化资源，然而教学工作不等于开发工作，专业仿真软件虽然功能强大但并不完全适用于教学。作者开始对教学需求来做分析，自行开发了一些教学仿真软件。以下通过对实际案例的分析来说明一般仿真软件与教学仿真软件的区别，教学仿真软件的开发方法。

　　仿真的目的是探索，用其验证自己的设计，找到设计中的问题。也就是说，仿真软件仿真的对象往往是使用者没有实现过的电路，这就要求仿真软件要仿得“真”，元器件模型的数学描述必须尽可能地与真实的元器件保持一致，理想的情况是仿真正确后实物搭出来也正确。

　　教学仿真的目的是学习知识，它所要“仿”的电路都是经过实践验证是正确的电路，或者是经无数人验证的经典电路，它的“仿真”是指模仿这个电路的真实工作过程，让学习者知道这个电路的工作过程。

　　仿真软件的使用者是有经验的工程师或者相当于此的学生，使用仿真软件觉得比较“真”，是因为他们在实际工作中已熟练地使用万用表、示波器、信号发生器等各种仪器，通过观察各点电压值、波形等来获取电路的信息，一接触到仿真软件中几乎与实物一致的仪表界面、测量方法立即会觉得非常熟悉、非常“真”。教学仿真软件的使用者通常都没有工作和训练经历，哪怕再逼真的仪表界面、操作过程仍不能仿学生有“真”的感受。因此，不同的使用者，对于“真”的要求不同。

　　仿真软件是使用者自主探索，而教学仿真一般是在老师的指导下使用，是老师设计的教学方案中的一部分资源，同时在使用时可以可获得帮助。仿真软件有各类功能强大的仪表，却没有诸如声源、热源、光源、触摸等实际电路测试所需要功能的模拟。

　　仿真软件需要尽可能正确地“模仿”真实的器件，这需要对于电子器件有深入的研究、建立强大的数学模型；仿真软件的各种元器件可以任意地组合（不管这种组合是否合理），需要设计精密的算法，防止各种逻辑错误、数学错误等产生。而教学仿真软件是针对成熟电路的仿真，不论是电路还是电路中的参数都是经过验证是正确的；对于其功能的要求也限于中职至多本科教科书上的公式，不会涉及更高深的知识；电路的参数测试点是预先设定的。

　　教学课件是预先录制的，即便加上一些简单的交互，只是预设的答案，给人的感觉是“游戏”而不是“仿真”，没有操作仿真软件时的那种真实感。教学仿真软件可以调节电位器面板，可以单击按钮，可以拔动开关，随着调节、单击、拔动，波形会变、数值会就、显示效果会变，这一切尽可能真实地营造了与真实实验一致效果，这是教学课件无论如何也无法相比的。

　　开发教学仿真软件首先要选择适当的电路作为开发对象，其次要对这些电路做多元化的分析，分解出电路模块，分析出哪些知识点是需要进行呈现的，最后设法用代码和工具将其呈现出来。

　　教学仿真软件所选择的电路一定是经过实践验证是正确的，例如，本人目前所开发的仿真软件电路全部都已做成实际的电路板，根据实物调试后记录的数据及相应的理论知识来设计软件。当然，所选电路也可以是公认的、经典的电路，例如运算放大器电路、整流滤波电路、分压式偏置电路、负反馈放大电路等。

　　教学仿真也是仿真的一种，应建立在电子、电工学模型的基础上，但它又不同于一般仿真软件，其知识体系只需要基于教材中的知识。例如，对于当前教学仿真软件中的三极管放大电路，专业仿真软件需要设置或者使用默认晶体管的数十个参数，而教学仿真软件应用对象是中、高职学生，那么只需要按教科书上的公式代入计算，其他参数既不需要也不应该加上。

　　教学仿真软件的开发，要选择合适的开发工具，对开发过程进行科学的分析，然后才能进行开发工作，以下通过一些实例来描述开发过程。

　　教学仿真软件需要综合利用图形、图像、视频、动画、数据处理等元素，其中的核心是数据处理，即要有运算能力，按电路的数学模型来获得不同的结果。与课件相比，画面的真实感等并不是最主要的，说到画面的真实，又如何比得上实物更真实呢。因此，一般课件制作用的PPT、FLASH等就不是最佳选择了。作者选择了快速开发（RAD）工具Visual Studio，编程语言选择了C#，也可以使用Visual Basic等其他编程语言。

　　教学仿真软件选择带有模块化设计思想的电路作为开发对象，这类电路将各部分功能模块化，模块功能相对独立，各模块连接关系较为清晰，便于分析讲解。下面以若干例子来讲解开发过程，其中第1个例子详细解说，其他例子则作简单介绍。

　　光控流水灯电路可分成了以下一些功能模块：电源模块；光敏电阻检测模块；可控振荡电路模块；CD4017十进制计数器模块。

　　使用7805作为稳压集成电路，在输入端接入合适的电源后，能提供5V电源给后级电路使用。关于此模块可以设计两个仿真功能：①按数据手册，7805的输入电压在低于8V时不能保证其输出电压的稳定。为此，将外部供电电源设置为可调，当稳压电路输入电压高于8V时，输出5V电源，电路工作正常。输入电压低于8V时，输出电压按0.6乘以输入值来计算。②按数据手册，7805的输入电压最大为35V，当外部供电电压超过35V时7805损坏，编程呈现芯片烧毁的画面并让输出电压降为0V。

　　这个功能模块使用运放制作的比较器来实现，光敏电阻与电位器串联，其连接点作为比较器的同相端输入，运放的反相端接固定电阻分压器的中点。预设光敏电阻的阻值为20K，此阻值使得无光照无遮挡时模块输出低电平。使用遮光罩（一个黑色的圆形图案）移向光敏电阻上方时，电阻值不断增加，同相端电压上升，当遮光罩达到一定位置时，比较器输出高电平。

　　单击电位器图标调出电位器调节面板，调整电位器阻值，使比较器开始时输出高电平。然后使用电筒图案模拟光源，接近光敏电阻，令光敏电阻阻值下降，同相端电位下降，最终使得输出变为低电平。

　　本模块中用到电位器调整界面，可以用鼠标或者在触摸屏上用手指来调整阻值大小，用到label控件，显示同相端和反相端的电压值；用到七段数码管显示控件做成电压表；用到picbox控制显示的亮/灭状态的发光二极管图片。这样，光敏电阻检测功能模块就很形象地演示出了光敏电阻检测的过程，让使用者了解到其工作原理、电位器的用途、比较器工作原理等知识。

　　这是用555电路制作的振荡电路，第4脚被引出成为控制端，当该端为高电平时，振荡电路工作，为低电平则不工作。电路中有电位器，可以调出并调整阻值。输出端设计了panel制作的示波器面板，其中放置一个picbox作为绘图区，其余空白区域放置3个label，分别显示其频率值、高电平持续时间和低电平持续时间。电位器面板调出后，其位置变换事件不断调用计算及绘图函数，获得真实的波形图。

　　CD4017在输入端CLK脉冲的作用下，其输出端Q0~Q9所接发光二极管依次点亮。在发光二极管图案上方放置一个panel，在panel中放置10个picbox，通过编程来判断Q0~Q9的状态，然后根据这些状态值分别为这些picbox调入亮/灭LED的图案，即可形成线位指拔开关的输入，指拔开关的另一端通过二极管隔离后加到复位端。当某个引脚变为高电平时，若相应位的指拔开关处于接通位置，则该位的高电平将加到复位端，使得CD4017复位，回到原始的状态，即复位开关可以使得灯的流动提前结束。从接法来看，可以实现7、8、9、10共四种不同的灯流动的效果。这个功能模块可以接到前一级可控振荡电路的输出端，当振荡电路有输出时，LED灯依次流动，调整振荡频率时，灯流动的速度也随之发生变化。还可以将此电路接入专门设计的一个单脉冲发生器电路上，随着脉冲发生器上按钮的不断动作，让CD4017输出端的LED灯依次点亮。这个功能可让学生观察CD4017的CLK端究竟是上升沿起作用还是下降沿起作用。

　　综上所述，光控流水灯的各个功能模块既可以单独使用以测试其功能，又可以将它们连起来形成一个整体，获得完整的功能体验。这其中包括很多的可操作对象，例如可以调整输出的稳压电源、可以点击的测试按钮，可以调整的比较器预设值，可以调整的振荡电路频率、可以设置的拔动开关等，可操作性很强。而各种操作也能通过灯的亮、暗变化、波形的改变、数据的显示等直观地表达出来。这样的仿真软件，既便于老师安排相应的知识点讲解，也便于学生自主学习。

　　音乐蜡烛是可以用打火机“点燃”用嘴吹灭的电子蜡烛，点燃的蜡烛会唱生日快乐歌，同时有LED随歌声摇曳发光，十分逼真。电路可以分为热敏电阻检测、声音检测、比较器电路、RS触发器、音乐集成电路等部分。仿真软件中，热敏电阻在热源（打火机图形）接近时阻值不断下降，音乐电路可以在满足工作条件时显示动态变化的扬声器图标并播放“生日快乐”歌。电路功能模块中RS触发器、音乐集成电路等既可以与其他电路连成一个整体也可单个模块进行测试，软件提供高电平、低电平等测试功能模块，即可分别测试这些功能模块的工作过程，理解其工作原理。

　　电量检测是利用一种新型的电量指示管来显示可充电电池供电量的多少。这里采用电压测量法，使用LM317可调稳压电路模拟电池电量的变化、TL431基准源电路、恒流电路为核心构成的测试基准电压生成电路、比较器电路、采样电路、电量管电路等部分组成。其中LM317、恒流电路、基准生成电路中均包括电位器，可以分别用作电池端电压模拟、恒流电流大小调节，基准电压调节等功能，有显示仪表，可以显示电压值、电流值、基准电压值等。

　　触摸报警电路利用人体感应电压触发555单稳态电路，利用话筒放大声音驱动反相器电路组成的单稳态电路，实现触摸/声控后报警并具有延时功能。电路分为XL1509电源模块、触摸检测电路、声音检测及延时电路、或门电路、音乐电路等部分。仿真软件中设计了手指形图块，移到触摸检测部分的触摸板上可令其输出为低电平，并且保持一段时间，时间长短可由电路中的电位器调节。声音检测电路在声音图标出现并达到合适距离后，使其输出由低电平变为低电平，经反相器反相后，驱动指示二极管发光，表示声音强度已足够，并给电容快速充满电，再经变换后输出同样变为低电平，送到或门电路；当声音图块移去，输入端的LED指示灯立即熄灭，而由于电容放电作用，输出端会延时一段时间再变回高电平，因此输出指示灯还会亮一段时间，这段时间可由电位器调节。不论是哪一路信号送入或门电路，或门都将输出低电平，驱动音乐集成电路，令其显示扬声器图标并播放报警声。各部分电路除可以组合成完整的功能外，均可以单独进行测试，以分别理解各功能电路块的作用。

　　RAD工具的好处在于可视化的编缉与操作，通过简单的拖、放控件可设计出所需要的界面。然后通过编程实现各个控件之间的逻辑关联，即可完成开发工作。以目前所开发的教学仿真软件为例，它们所需要的控件基本上就是“label”、”toolstrip”、”picbox”、“panel”等几种类型。label用于显示各类提示、运算的结果等，toolstrip用于设计菜单，picbox用于存放各类图片，panel用作容器，可以在其中放置多个picbox、label等其他控件，组成复合图案。通过设置控制的visiable属性即可令其显示出来或者隐去，也可以利用其left、Top、width、height等参数灵活地实现其尺寸、位置的变化。

　　仿真教学软件对于开发者的要求较高，开发者必须具有专业电子知识，这样才能选择正真适合的电路来进行开发；开发者还必须是优秀的教师，这样才能将电路分成合适的模块，并且安排各模块的功能及需要测试的功能，安排好仿真的内容。仿真教学软件还需要编程，不论是使用C#、VB或者其他编程语言，它总是要比PPT的制作要难一些。当然，PPT的制作也并不是特别容易，不过，制作PPT时，实在做不下去时，随意做几个页面，放一些文字或图片也能实现，只是质量很差。涉及到编程就无法用这样的方法了。从这个意义上说，仿真软件开发更难一些。但实际上，不论做什么，想要做得好就没有容易的。

　　[1]胡小勇，朱龙等.信息化教学模式与方法创新：趋势与方向[J].电化教育研究,2016,6(278):12-18

　　[2]刘 斌.信息化教学有效性的理论思考——对信息化教学本质的再认识[J].现代教育技术,2013,3(23):26-30

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