虛擬實(shí)驗(yàn)在“電路理論”課堂教學(xué)中的應(yīng)用

陳希有,李冠林,劉蘊(yùn)紅,董維杰

(大連理工大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)部,遼寧大連 116024)

0 引言

如何提高“電路理論”的課堂教學(xué)效果一直是電路課教師不斷探索的工作。為此在教學(xué)方法和教學(xué)手段上已采取了許多改革措施。例如,采用PPT課件或在課堂上進(jìn)行實(shí)物演示等。但PPT課件存在難以即興進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)的缺點(diǎn),實(shí)物演示又受諸多客觀因素限制,視覺效果很不理想。本文介紹了筆者在課堂教學(xué)中適當(dāng)采用虛擬實(shí)驗(yàn)來提高教學(xué)效果的方法。可以克服PPT教學(xué)課件的缺點(diǎn)或?qū)嵨镅菔镜南拗?與板書或課件方法相結(jié)合可以收到更好的課堂教學(xué)效果。

有較多的教學(xué)版虛擬實(shí)驗(yàn)工具可以利用,例如PSpice[1]、Multisim[2,3]和PSIM 等。經(jīng)實(shí)際對(duì)比,筆者認(rèn)為,在課堂教學(xué)上使用Multisim略勝一籌。主要是因?yàn)樗哂杏押玫牟僮鹘缑婧皖愃普鎸?shí)的測(cè)試儀器,像現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)一樣,可以實(shí)時(shí)改變?cè)?shù)或電路結(jié)構(gòu)。

我們已在多個(gè)知識(shí)點(diǎn)上探索了基于虛擬實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)方法。本文在此介紹部分虛擬實(shí)驗(yàn)示例。

1 疊加定理和互易定理

圖1是含電壓源、電流源和受控源的電阻電路。圖中的兩個(gè)開關(guān)J3和J4,可用鼠標(biāo)和鍵盤實(shí)現(xiàn)它們的接通或關(guān)斷,以控制兩個(gè)獨(dú)立電源使其作用或不作用于電路。兩個(gè)獨(dú)立電源都不作用之外的三種電壓表的讀數(shù)便能輕而易舉地驗(yàn)證疊加定理,也使學(xué)生知道了獨(dú)立電源的“單獨(dú)作用”和“不作用”是怎么回事。

圖1 疊加定理虛擬實(shí)驗(yàn)

我們?cè)O(shè)計(jì)了圖2所示的互易定理虛擬實(shí)驗(yàn)電路。圖2(a)和圖2(b)兩個(gè)電路中電壓表的讀數(shù)完全相同。這一實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生理解抽象的互易定理。學(xué)生可以仿此對(duì)另外兩種形式的互易定理[4,5]設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

圖2 互易定理虛擬實(shí)驗(yàn)

教學(xué)中,教師可以即興加入受控電源,結(jié)果兩個(gè)電壓表的讀數(shù)不再相同。學(xué)生直觀理解了互易定理對(duì)含受控源的電路一般不再成立。

2 RLC串聯(lián)交流電路和運(yùn)放電路

RLC串聯(lián)電路是教學(xué)的重點(diǎn)。我們?cè)O(shè)計(jì)了圖3所示電路,通過測(cè)量各元件電壓有效值和總電壓有效值,對(duì)比它們的關(guān)系,并與直流電路情況進(jìn)行對(duì)比,提出問題以啟發(fā)思考。頻率、電阻和電容等參數(shù)都可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),具有身臨其境感。還可以進(jìn)行串聯(lián)諧振現(xiàn)象的虛擬實(shí)驗(yàn)。

圖3 RLC串聯(lián)交流電路虛擬實(shí)驗(yàn)

由于在教學(xué)時(shí)采用的是簡(jiǎn)化的運(yùn)算放大器符號(hào),所以學(xué)生不理解輸入電流為零而輸出電流為何不是零。為此,設(shè)計(jì)了圖 4所示的積分電路。通過演示,學(xué)生明白了運(yùn)算放大器在使用時(shí)還得加上直流電壓源,可以聯(lián)系實(shí)際消除疑問。另外,和真實(shí)的 Tektronix和Agilent示波器相同的虛擬儀器界面,也讓學(xué)生感到興奮。輸入為正弦電壓時(shí),積分器的輸出電壓存在直流分量,這是課堂教學(xué)時(shí)常被忽視的現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生深入思考其中的道理。

圖4 運(yùn)算放大器積分電路虛擬實(shí)驗(yàn)

3 三相電路中線的作用

在應(yīng)用三相電時(shí),中線的作用很重要,要求學(xué)生必須透徹理解。對(duì)圖5所示電路,通過實(shí)時(shí)閉合或斷開各開關(guān),可以進(jìn)行對(duì)稱、非對(duì)稱、有中線和無中線實(shí)驗(yàn)。燈泡亮度隨其電壓大小而變化。當(dāng)超過燈泡額定電壓時(shí),燈泡會(huì)因燒毀而熄滅,十分接近實(shí)物實(shí)驗(yàn)。

圖5 三相電路中線作用虛擬實(shí)驗(yàn)

4 RL電路的暫態(tài)響應(yīng)

在圖6(a)的RL暫態(tài)電路中,突然切斷RL負(fù)載會(huì)產(chǎn)生過電壓,這一現(xiàn)象利弊兼有,且工程中常見,教學(xué)時(shí)應(yīng)使學(xué)生透徹理解這一現(xiàn)象的規(guī)律。在圖6(a)中,我們不斷扳動(dòng)開關(guān)J1可以反復(fù)體驗(yàn)這一現(xiàn)象,RL負(fù)載電壓如圖6(b)所示。改變?cè)?shù)值,可以加深理解過電壓的量值與元件參數(shù)的關(guān)系,啟發(fā)尋求解決方法,并立即得到驗(yàn)證。

圖6 RL電路暫態(tài)響應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)

5 狀態(tài)軌跡

狀態(tài)軌跡是教學(xué)難點(diǎn),主要是因?yàn)樗灰资止っ枥L,也無動(dòng)感,借助虛擬實(shí)驗(yàn)可以變難為易。圖7(a)是典型的RLC電路,扳動(dòng)圖中的開關(guān)J1,可以在示波器上看到狀態(tài)軌跡的演變過程,如圖7(b)所示。其中橫軸是電容電壓,縱軸是電感電流。

圖7 狀態(tài)軌跡虛擬實(shí)驗(yàn)

6 諧振升壓電路

如何用低壓交流電壓源在大電阻上產(chǎn)生高電壓,是一個(gè)有工程應(yīng)用價(jià)值的問題。圖8所示為不含變壓器的簡(jiǎn)單電路。L1和C1在滿足諧振條件時(shí),R1上的電壓有效值達(dá)到最大。圖中顯示的電壓U2已升到了5.797kV。借此引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行原理分析和理論計(jì)算。

圖8 諧振交流升壓虛擬實(shí)驗(yàn)

7 仿真線和信號(hào)傳輸

我們可利用教材[5]中公式設(shè)計(jì)一段仿真線,用以理解傳輸線集中參數(shù)等效電路的概念和駐波的形成規(guī)律。為便于觀察,仿真線的設(shè)計(jì)使波腹和波節(jié)恰好出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)處。通過扳動(dòng)電路右邊的開關(guān)J1,使終端分別處于開路和短路狀態(tài),觀察波腹和波節(jié)的變化。振動(dòng)強(qiáng)的是波腹,弱的是波節(jié)。由此學(xué)生明白了傳輸線集中參數(shù)等效電路的用途及駐波形成的概念和規(guī)律。

圖9 仿真線及駐波虛擬實(shí)驗(yàn)

信號(hào)的無畸變傳輸概念非常重要。實(shí)現(xiàn)信號(hào)無畸變傳輸?shù)臈l件是,使用無畸變線(例如無耗線)且終端處于匹配狀態(tài)[5,6]。如在上圖無耗仿真線最右側(cè)加一個(gè)可變電阻R3就可以進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)奶摂M實(shí)驗(yàn)。改變可變電阻R3,當(dāng)終端處于匹配狀態(tài)時(shí),線路各點(diǎn)電壓波形相同,從始端到終端,相位依次滯后;當(dāng)處于非匹配狀態(tài)時(shí),與始端電壓相比,線上各點(diǎn)電壓發(fā)生畸變,不能正確傳輸信號(hào)。通過實(shí)驗(yàn),學(xué)生可深入理解畸變的涵義和實(shí)現(xiàn)無畸變傳輸?shù)臈l件。

8 結(jié)語

精心設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)引入課堂教學(xué)可以充分發(fā)揮教師的教學(xué)想象力,利于激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思維,增強(qiáng)課堂教學(xué)效果。為此教師要?jiǎng)?chuàng)新教學(xué)思路并樂于為此付出更多努力。我們?cè)O(shè)計(jì)的這些虛擬實(shí)驗(yàn)正以資源庫的形式不斷豐富和完善。

[1] 穆秀春,華春梅,呂中志.PSpice電子仿真及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2010

[2] 張新喜,許軍,王新忠.M ultisim 10電路仿真及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010

[3] 唐贛,吳翔,蘇建峰.Multisim 10&Ultiboard10原理圖仿真與PCB設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008

[4] 陳洪亮,張峰,田舍平.《電路基礎(chǔ)》[M].北京:高等教育出版社,2007

[5] 陳希有,孫立山,柴鳳.《電路理論基礎(chǔ)》(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2004年

[6] 俞大光.《電工基礎(chǔ)》(修訂本,中冊(cè))[M].北京:人民教育出版社,1965