基于模拟仿真的单相全波整流实验教学探究

曹艳娟 石继飞 史晓霞 刘燕茹 刘明芳

摘  要：医学影像设备学、传统的实验箱教学普遍存在着很多问题，文章尝试采用较为常见的虚拟仿真软件进行改革与探索。参与者为已具备相关理论基础的大学四年级上学期（五年制）的医学影像学专业48名学生。让学生选择单相全波整流电路实验，构建模拟仿真电路，并与传统的实验箱教学进行对比。通过问卷星，从电路搭建、操作安全、参与程度、能力培养、学习兴趣、知识拓展等方面，对两种实验方法的教学效果进行了比较和分析。

关键词：单相全波整流电路;虚拟仿真;实验教学

中图分类号：TP391.9;G434              文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）03-0192-04

Exploration in One-Way Full-Wave Rectification Experiment Teaching Based on Analog Simulation

CAO Yanjuan， SHI Jifei， SHI Xiaoxia， LIU Yanru， LIU Mingfang

（Baotou Medical College， Baotou  014040， China）

Abstract： There are many problems generally in the traditional experimental box teaching and Medical Imaging Equipment Science， and this paper uses the more common virtual simulation software for reform and exploration. The participants are 48 students majoring in medical imaging in the first semester of the fourth year （five-year program） of the university who has a relevant theoretical basis. Let the students choose one-way full-wave rectification circuit experiment， build the analog simulation circuit， and compare with the traditional experimental box teaching. Through the questionnaire star， the teaching effects of the two experimental methods are compared and analyzed from the aspects of circuit building， operation safety， participation degree， ability training， learning interest and knowledge expansion and so on.

Keywords： one-way full-wave rectification circuit; virtual simulation; experiment teaching

0  引  言

医学影像设备学是医学影像学和医学影像技术等专业的必修课程，本课程的教学目的是为了让学生能够掌握现代常见的医学影像成像设备的内部结构、工作原理以及基本的操作方法[1]。临床大型医学影像成像设备的内部结构都非常复杂，包含许多单元电路，且各单元电路之间有机结合、环环相扣。常规教学方法主要以教师直接讲授为主，很难用更直观的方式呈现课程内容。很多人只是对医学影像设备学的理论课进行了教学改革[2，3]。因此，通过怎样的实验教學方式，才能更好辅助理论授课，成为广大教师关心的问题。然而，大型的医学影像成像设备价格昂贵，并且大多数存在高压和电离辐射等危险，普通高校很难提供真实设备供学生进行实验学习。

目前很多医学类高校的医学影像设备学实验教学普遍存在以下问题：（1）受电箱限制，大多数实验都是典型验证型实验，无法开设研究型和综合型实验，对学生个人能力的进一步培养作用不大。（2）单元电路的教学大多基于实验电箱，电箱电路是固定的，封装在面板下方，模块不可变更，因此实际使用中不可自行选择、设计和调整实验内容，学生能够进行的实验操作被局限在参数调整阶段，只能通过简单的参数改变来影响最终输出结果，验证理论的正确性，整个实验步骤较为僵化，教学效果一般。（3）一旦学生在实验过程中进行了错误操作，例如线路短接等，很容易造成模块中的实际元件甚至是整个实验箱的损坏，直接导致后续实验无法进行。

针对传统设备学实验教学中存在的问题，我们以单相全波整流实验为例，提出基于虚拟仿真平台的实验教学模式，对传统的实验教学模式进行了改革[4，5]。实践表明，基于虚拟仿真的教学模式能够将隐藏在面板下的电路展示出来，学生能够对整个单元电路进行调整和修改，这样的操作能够很好地激发学生的学习兴趣，有利于提升教学效果。同时，能够有效地弥补传统电箱实验教学的种种不足，使得学生能对医学影像设备内部单元电路的运行有一个清晰和直观的认识，帮助学生在掌握全局电路的基础上，更加深刻的理解各部分单元电路的功能。而且，通过电路故障的检测实验，可以使学生观察到电路故障时会出现的各种异常情况，帮助学生深刻了解各种元件损坏后可能出现的现象以及对电路的影响。

1  仿真软件简介

考虑到仿真平台的多样化[6-8]，我们选择了比较常用的虚拟仿真平台。该平台专门用于电子电路仿真和设计，提供了丰富的元器件库和电子测量仪器[9，10]，是一个开放的虚拟仿真实验室，具有非常强大的仿真和分析功能，为学生提供了丰富的虚拟电路实验场所。此外，在设备学单元电路实验中使用该软件，无须直接接触实际的电路及电学元件，从而避免了学生在实验过程中可能出现的各种潜在危险。

本研究以X线机单元电路之一：单相全波整流电路为例，尝试通过仿真电路完成实验教学。传统的基于电箱的实验教学，操作步骤固定僵化，学生在实验过程中如果没有按照要求操作，很容易出现短路等各种问题，造成电箱损坏，严重时甚至可能导致起火等安全隐患。而且电箱成本较高、寿命较短、大多数院校不具备人手一台、损坏随时更新的条件，这就造成在实验授课过程中，需要按照小组分配电箱，小组人数受电箱数量限制，这样多个学生共用一台仪器的情况显然会影响教学效果。另外，由于电箱质量不稳定，测量结果也缺乏准确性。

2  对象与方法

我们从影像类专业培养目标出发，结合医学影像设备学的课程特点，探索将知识点与实验结合起来完成教学，最终进行了仿真实验教学的尝试。选取包头医学院2018级影像学本科班48名学生作为尝试对象，本班学生前期已经完成电子学和影像物理学等课程的学习，具备必需的专业知识。选择他们正在学习的医学影像设备学课程，通过仿真软件来完成单相全波整流电路实验，实验完成后，与传统实验电箱的教学效果进行了比较，最后利用问卷星对学生进行实验效果调查。

3  结果

3.1  平台搭建

基于国内高校已经非常普及的计算机教室来搭建仿真平台，在保证学生人手一台电脑的情况下，锻炼学生自己自学仿真软件的使用。我们选用的软件具有非常丰富的元器件库，包含了医学影像设备学单元电路实验所需的绝大多数元件，学生可以根据不同实验选择所需元器件。软件操作界面简单，集成度高，操作简便，同时提供了大量虚拟仪器，用于检查和分析电路[11]。学生自学完成后，可以课前查阅资料，基于课上所学的电路基础原理，独立完成元器件的选择和实验电路的连接，最后通过软件提供的各种虚拟仪器进行检测，确定所选择的元器件是否合理、电路是否实现了相应功能。我们利用该平台构建了X线机单相全波整流电路教学系统，由于X线球管的电气特性跟电子管类似，有文献已经证实了模拟球管的可行性[12]，因此在虚拟仿真中我们采用电子管仿真X线球管。

3.2  整流电路仿真分析

采用虚拟仿真软件对X线机单相全波整流电路进行模拟仿真，并对运行结果进行分析，如图1所示。构建电路所采用的元器件及参数如下：交流电源电压220 V、频率50 Hz;滑动变阻器1 kΩ;整流桥D1;模拟的整流二极管（D2-D5）;模拟球管5AR4等。变压器为11：1的普通变压器以及11：1：1带中心抽头变压器。示波器用来测量整流后的输出电压波形，万用表用来测量X线管的管电流和管电压。

按照图1进行整流电路的连接与测试，我们得出了整流后模拟X线管的输出电压波形，如图2所示。实验过程中，学生通过课前预习，自主选择元器件，并确定各元器件的具体参数，例如电源电压、变压器、二极管、模拟球管等。自行搭建电路，反复调试运行，整個过程要求学生深入理解电路原理，课前充分查阅资料，并根据虚拟仪表的显示不断调整所选元器件的参数，最终得到满足要求的实验电路。

3.3  整流电路故障分析

通常情况下，用于电路实验的电箱只能完成电路结果的展示，电箱本身不存在故障问题的展示，因此即便出现短路、漏电等意外状况，也无法用于电路故障的教学，我们此次研究决定尝试借助虚拟仿真平台进行电路故障的实验教学[13，14]。学生平时所看到的电路实验箱表现都是正常的，当遇到故障电路时，由于整个电路都被实验电箱面板覆盖，完全无法进行电路检测，也就无法完成故障的观察分析，这样就出现了实验设置的空白，没有相应故障检测的实验项目，学生对于故障的理解就只能来源于理论授课，无法很好地将理论知识与实践结合在一起，最终转化为自己的理解。电路故障仿真能够让学生直接观察到在出现故障的情况下，电路的具体表现，如二极管的短路或断路等。总结出故障的现象以及造成故障的原因。基于此，我们在原电路上，设置二极管D2短路故障，观察由于短路造成的管电压波形的异常变化，分析这一电路故障对最终输出结果造成的影响和后果，如图3所示。

3.4  学生反馈

相比传统的实验箱教学，仿真实验教学完成后，邀请48名同学通过问卷星参与了问卷调查[15]，调查结果如图4所示，其中横坐标为仿真效果选项（对应下文（1）～（8）），纵坐标为学生人数。

以下为调查结果具体分析：

（1）91.67%的学生表示，对比实际电路搭建，仿真软件操作安全，使用方便，实验操作不局限在特定实验室，课余时间利用个人电脑也可以完成，为课后巩固提供了便利条件。（2）89.58%的学生表示，仿真实验教学方式需要同学自行查阅资料，确定电学元件参数，有利于自主学习能力的培养。（3）93.75%的学生表示，实验过程依赖于老师讲授较少，基本是独立完成的，自我发挥的空间更大，培养了实践动手能力，更有成就感和获得感。（4）85.42%的学生表示，相比于操作电箱仅仅在几个检测点之间连线测量，仿真实验完整实现了单元电路的设计、组装和调试，能够更好地帮助学生理解电路组成、工作原理和检测方法。（5）85.42%的学生表示，初步掌握了分析、判断和查找电路故障的能力。能够分析造成故障的原因，培养了学生发现问题和解决问题的能力。（6）93.75%的学生表示，通过本次课程，基本掌握了仿真软件的使用和调试，对于仿真平台很有兴趣，课余时间愿意尝试自行设计和搭建更多的单元电路。为学生掌握课程内外的知识，进一步开拓创新思维提供了的更多可能性。（7）87.5%的学生表示，仿真实验基于电脑开展，每位同学独立完成，比电箱实验参与度高，更能培养学生的实践动手能力。（8）4.17%的学生表示，对医学影像设备学实验没有兴趣，不关心实验教学方式。

4  结  论

本文主要利用虚拟仿真平台对单相全波整流电路进行仿真模拟，能够较好地反映电路的特性，加深学生对整流电路工作原理的理解和掌握。学生课前能够自主查阅资料，确定电路中各元件的类型及参数。本次尝试，以学生自主完成为主，在电路搭建过程中不断对所选各元器件的参数进行调整，最终输出结果。仿真教学系统用于X线机单元电路实验时，无须额外配备电路元件，所有操作均依托电脑完成，在熟悉电路组成的同时，规避了常规电学实验的各种潜在危险。同时也解决了传统实验箱没有办法检测电路故障的弊端，能够让学生看到在故障情况下电路的具体表现，并能将实验观察到的现象与理论知识相结合，进而分析故障产生的原因。对学生的问卷调查显示，仿真教学能够极大的提高学生对设备学实验的积极性，提升了学生自主设计电路的能力，培养了学生的独立思考能力和实践动手能力，同时也对学生开放性思维的培养起到了非常积极正面的作用。

参考文献：

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作者简介：曹艳娟（1986—），女，汉族，内蒙古通辽人，中级，硕士研究生，研究方向：影像和放射研究;通讯作者：刘明芳（1985—），女，汉族，内蒙古包头人，中级，硕士研究生，研究方向：影像和放射研究。