使用仿真软件让学生高效学习

刘翔宇

河南省焦作冶金建材高级技工学校 454000

摘要：上世纪九十年代初我迷上了航空模型。当时为了制作一架航空模型非常耗费时间。当时的航模材料也非常难找。需要跑到外地采购。从找齐材料到制作完成我要用一个月的时间。好不容易制作完成了高高兴兴的去试飞。一个失误的操作让一个月的辛苦摔得稀碎。无奈、无助。收拾散落的零件再来一个月。当时的航模之路走得何其艰辛。就这样跌跌撞撞的大约十年的时间制作了好多架航模，也摔坏了好多架。最终也算是学会了。当时很多和我一起玩航模的人都退出了。到了十年之后很多人学习航模不再用投入大量的实物也能较快的学会航模的操作了。因为航空模型的仿真软件出现了。

两千年之后电脑逐渐走入家庭。我家也是在零几年年购置了电脑。当时购置电脑的一大动力就是因为有朋友说用电脑可以和航模遥控器连接在屏幕上练习飞行。虽然当时我已经学会了航模操作但是还是对电脑模拟飞行充满了好奇。我当时购买了航空模型的模拟器软件安装在电脑上。电脑很好的还原了航空模型以及各种背景。在电脑上操作最大的好处是摔坏了可以从头再来。不必花一个月时间买材料再做一架。并且航空模拟器中提供了很多机型可供选择。我不禁感叹若我初学时就有航空模型仿真软件我能省下多少时间和材料。当然我也算体会到了科技的进步给人们带来的便捷。后来我在学校开展社团活动的时候多次采用航空模型仿真软件，让热爱航模的同学用最低的成本学会航模操作。随着时间的推移航空模型仿真软件种类也增多了。机型和场景更加真切。

在我的教学工作中也常常遇到和航空模型类似的问题。比如在教授PLC的过程中就遇到过资源不足的问题。当学校刚刚开设PLC课程的时候，PLC的价格非常昂贵。我们必须把学生分成几个小组。几个人共用一套设备。因为设备少学生因为害怕损坏PLC所以在接线过程会过分小心而导致接线时间太长。这样一来学生练习的时间很难均衡。有的同学会因为练习的少而逐渐失去对学习PLC的兴趣。我何尝不想让学生人手一台PLC呢。从学校的资源来看电脑的数量远远超过了PLC的数量。后来出现了三菱PLC仿真软件。学校的电脑上安装了这种仿真软件。很多学生可以先通过在电脑上练习仿真软件来理解梯形图的含义。程序编写完成之后还能通过仿真动画来验证程序是否正确。很多同学不再畏首畏尾。在电脑上大胆的练习。通过PLC仿真实验很多同学建立了自信，也提高了兴趣。这样在操作真实的PLC的时候他们已经熟练掌握了梯形图和指令的使用方法。学习效率大大的提高了。

有时候学校会根据实际情况调整教师的教授课程。我也曾经担任过电子技术和单片机等课程。我上课非常推崇使用仿真软件。不是说我不喜欢用实物教学而是说用仿真软件可以降低学习的门槛。让初学者更加愿意进入这一学科进行学习。当然也节约了实物成本。比如电子技术仿真软件Multisim还有擅长单片机仿真的软件Proteus。

Multisim这个软件最大的特点是用起来真的很简单。它的各种图标很行形象。各种仪器仪表的界面也很真实。我们只需要把这个元件选中拖入到这个主界面的图纸中就可以建立一个完整的电路模型。它的元件库非常的全面。我们常用的元件在这个软件的元件库里都可以找到。用这个软件搭建的各种电路可以帮助我们理解各种电路的原理。有时候因为现实中仪器仪表本身因为时间长了而产生各种误差。而这个软件可以弥补这个遗憾。它可以比较准确地给出实验数据。这样我们就能较为合理的建立对一个电路概念。从而更好地应用这个电路。

Multisim这个软件的界面还是比较友好的。尤其是元件工具栏和虚拟仪器工具栏。我们可以用该软件搭建一个共射极的放大电路。找到菜单栏中的绘制。电路搭建完成之后我们还要观电路是否能正常工作。我们还可以观察电路的输入和输出的波形。Multisim提供了函数发生器以及示波器等仪器仪表。仪器仪表的参数都可以设置非常实用。学生在电脑屏幕上可以很直观地观察电流、电压、波形等等。这样能让学生对电路的构成和工作原理迅速掌握从而大大提高了学习的效率。

下面再来说一下仿真软件Proteus。从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路混合协同仿真再一键切换到PCB设计，整个过程一气呵成，真正实现了从概念到产品的完整设计。Proteus能够完成模拟电子、数字电子、单片机以及嵌入式的全部实验内容，支持所有电工电子的虚拟仿真。我曾经让学生使用Proteus对单片机进行仿真。学生在没有电子元件的情况下利用该软件可以快速搭建以单片机为核心的电路。学生绘制某一个单片机电路几次之后对电路的元件以及连接关系。然后当拿到真实的单片机元件之后，很快就能安装成功。不需要学生死记硬背。搭建好的单片机电路再导入Keil软件编辑好的软件电路的功能可以通过仿真按钮来观察。对于初学单片机的学生来说，Proteus简直就是一个友好的领路人。

现代生产离不开自动化生产线。自动化生产线离不开PLC。很多学生都不曾有机会接触到真实的生产线。虽然学校也提供了一些小型自动化生产线的模拟实训台。但是还是会受到硬件不足的制约。如果只依靠实物来学习PLC效果并不是很理想。还有的学生害怕把设备损坏也会停步不前。好在三菱PLC有一种仿真小软件用起来挺方便的。这个小软件是的名字是FX-TRN-BEG-C。这个软件对应的PLC型号不是最新的但是这不会影响学生通过该软件来学习梯形图和一些基本指令。这个软件提供的学习项目有A:让我们学习FX系列PLC；B:让我们来学及基本的；C:轻松的练习；D:初级挑战；E:中极挑战F:高级挑战。每个大项目下面包含了若干小项。每个小项都是模拟一个企业的生产场景。编写好的梯形图和动画完美的结合起来。比如在高级挑战项目中就是模拟了机电一体化设备。这个设备中包含了送料机构、传送带机构、料槽、料斗、传感器、PLC等部分。我们在软件提供的梯形图编辑区画出控制梯形图。下载到虚拟PLC中就可以观察物料的分拣结果。效果非常直观。学生练习之后很有成就感。我们还可以在GXDeveloper软件中用SFC模块来编辑程序。编好之转换成普通梯形图然后再导入到FX-TRN-BEG-C里也可以运行。这样实际上是把真实的编程软件和模拟器的动画进行了很好的对接。三菱仿真软件还有一款FXTRN-DATA。该软件提供了PLC的数据处理、传送指令、四则运算等一系列功能指令也是结合了很多动画场景。

现在我们来了解一些手机模拟软件。

比如droidteslapro是一个简单而强大的电路模拟器，非常适合电子电路设计和构造的新手，业余爱好者，甚至是经验丰富的专业人士，他们想要快速，进行电子电路设计计算的便捷工具。

Droid的特斯拉是一个简单而强大的SPICE引擎（电路仿真器）。适合学生的新的电子产品的电路设计和施工，业余爱好者和能工巧匠，甚至谁想要一个快速的资深人士，方便的工具来进行电子电路设计计算。DroidTesla模拟器解决使用基尔霍夫电流定律（KCL）基本电阻电路在大致相同的方式，模拟器系统构成了根据一个矩阵与KCL然后前进到解决使用各种代数未知量为技术，诸如高斯消去和稀疏矩阵技术。非线性元件，例如通过在一个答案作出初始猜测二极管和双极结型晶体管，DroidTesla引擎搜索的近似解然后改善与在此猜测建连续计算该溶液中。这被称为一个迭代process.DroidTesla模拟使用牛顿-拉夫逊迭代算法为了解决具有非线性I/V关系的电路。为反应性元件（电容器和电感器），则DroidTesla使用数值积分方法来近似反应性元件作为时间的函数的状态。DroidTesla提供梯形（我稍后再增加一个齿轮方法）集成方法近似的活性元素的状态。尽管对于大多数电路，这两种方法将提供几乎相同的结果，它通常被认为是，齿轮方法更稳定，但梯形方法更快，更准确。

在文化课方面也有很多优秀的仿真软件。比如说著名的数学仿真软件几何画板。在教师的引导下，几何画板可以给学生创造一个实际操作几何图形的环境，学生可以任意拖动图形、观察图形、猜测和验证结论，在观察、探索、发现的过程中增加对各种图形的感性认识，形成丰厚的几何经验背景从而更有助于学生对数学的学习和理解，同时几何画板还能为学生创造一个进行几何实验的环境，有助于发挥学生的主体性、积极性和创造性，充分体现了现代教学的思想。几何画板被广泛应用在全国初高中的数学教学中，已经被越来越多的老师所认可。

本人从事的主要是机电类的教学工作。所以用到的仿真软件以机电类为主。实际上各个专业以及各个行业都有相应的仿真软件。这些软件都为学生的学习提供了极大的便利。当今的时代只要我们愿意学习总能找到一些我们喜欢的教学仿真软件让我们实现随时随地的学习、高效率的学习。让我们充分利用这些仿真软件，为学生提供最理想的教学方式，为中国的科技发展和智能制造贡献力量。