基于Mutisim的應(yīng)用型本科《電路》課程教學(xué)研究與實踐

鄭州科技學(xué)院 劉林陰

應(yīng)用型本科教育是隨著高等教育由“精英教育”向“大眾化教育”轉(zhuǎn)變應(yīng)運而生的，民辦院校作為國家建設(shè)應(yīng)用型人才的培訓(xùn)基地，在教育事業(yè)中起著舉足輕重的作用?！半娐贩治龌A(chǔ)”課程是我校電子信息、自動化類各專業(yè)最為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，通過該課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握電路分析的基本概念、基本理論和基本分析方法，并具備必要的分析問題的能力，為學(xué)習(xí)“信號與系統(tǒng)”、“模擬電路”、“通信系統(tǒng)原理”、“自動控制原理”等后續(xù)課程打下必不可少的基礎(chǔ)。隨著形勢的發(fā)展，本課程的教學(xué)內(nèi)容不斷豐富，對教學(xué)的要求也不斷提高。為培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)分析能力、理論實踐能力、創(chuàng)新能力，提出將仿真教學(xué)融入電路理論與試驗教學(xué)中，通過基于NI Mutisim仿真平臺對串聯(lián)諧振電路進(jìn)行模擬仿真，驗證仿真試驗對學(xué)生電子電路設(shè)計能力和故障診斷能力提高的必要性和可行性，賦予了應(yīng)用型本科電路教學(xué)以新的方式方法，具有一定的探索意義和創(chuàng)新價值。

1.教學(xué)改革的設(shè)計思想

課程改革重點主要包括建立科學(xué)的課程體系、符合電子信息、自動化類專業(yè)特點的完整理論及實踐教學(xué)體系。重視教學(xué)內(nèi)容和方法的研究，針對教學(xué)中的問題，積極發(fā)表教學(xué)研究文章，以期與同行進(jìn)行探討，不斷探索教育、教學(xué)規(guī)律，改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量；采用多媒體電子教案授課和傳統(tǒng)方式授課相結(jié)合，電化教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合，理論教學(xué)與上機(jī)實踐相結(jié)合的現(xiàn)代化教學(xué)模式。

1.1 理論教學(xué)改革的設(shè)計思想

理論教學(xué)內(nèi)容為電路分析的基本概念、基本理論和基本分析方法。包括：電路的等效變換法；線性網(wǎng)絡(luò)的一般分析方法和網(wǎng)絡(luò)定理；一階動態(tài)電路分析；正弦穩(wěn)態(tài)分析；耦合電感和變壓器電路分析；電路的頻率特性；二端口網(wǎng)絡(luò)；非線性電路分析及磁路和鐵芯線圈。課程的難點主要體現(xiàn)在以下幾點：

(1)涉及的定理、分析方法紛繁復(fù)雜，高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求嚴(yán)格，如求解代數(shù)方程、微分方程以及復(fù)數(shù)運算(相量分析)等。

(2)研究領(lǐng)域廣，不但要求對純電阻電路、正弦穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行分析，而且要求對含變壓器的電路、電路頻率特性等內(nèi)容進(jìn)行分析等。

(3)分析方法較抽象，主要是對實際電路轉(zhuǎn)化的電路模型為分析對象，如受控源等四端元件不好理解。因而，對含受控源的電路分析、含變壓器的電路分析成了學(xué)習(xí)的難點。

針對以上重難點內(nèi)容，理論教學(xué)改革的思想體現(xiàn)在以學(xué)生為主體的自主學(xué)習(xí)教學(xué)模式：

(1)利用現(xiàn)代化教學(xué)手段

引進(jìn)現(xiàn)代化的教學(xué)手段和教學(xué)方法。制作完成“電路分析基礎(chǔ)”課程的多媒體課件，從2008年開始用于全校本科生教學(xué)，并在實踐中得到不斷完善。為了充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，開發(fā)多渠道的學(xué)習(xí)途徑，將多媒體錄像課件、電子教案、授課計劃和作業(yè)批改等相關(guān)教學(xué)內(nèi)容及時在網(wǎng)上發(fā)布。

(2)探索新的教學(xué)方法

以學(xué)生為主體，采用啟發(fā)式教學(xué)、與學(xué)生互動式課堂討論和網(wǎng)上教育等方法，加強(qiáng)教與學(xué)的信息交流，啟發(fā)學(xué)生聯(lián)系所學(xué)知識點，培養(yǎng)主動思考和自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

(3)多種方法確保課程教學(xué)質(zhì)量的提高

“電路分析基礎(chǔ)”的各系列課程均具有符合專業(yè)人才培養(yǎng)要求的課程教學(xué)大綱，同一課程的所有班級實行“三統(tǒng)一”(大綱統(tǒng)一、教材統(tǒng)一、試卷統(tǒng)一)。通過制訂詳細(xì)的教學(xué)計劃，規(guī)范教學(xué)過程以確保教學(xué)大綱的全面實施。實行考-教分離的方法，使用AB卷?？荚嚭蠹皶r研究試卷中出現(xiàn)的各種問題，用于指導(dǎo)今后的課堂教學(xué)。在引進(jìn)“電路分析基礎(chǔ)/信號與系統(tǒng)題庫”(西安電子科技大學(xué))的基礎(chǔ)上，建立試題庫，作為題庫的補(bǔ)充，使之更加完善。利用網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代化工具，對教師教學(xué)效果進(jìn)行測評，設(shè)立網(wǎng)絡(luò)信箱收集學(xué)生對課程教學(xué)的意見與建議。

1.2 實踐教學(xué)改革的設(shè)計思想

隨著各種EDA軟件的引入，EDA教育收到了空前的重視，EWB軟件在優(yōu)化教學(xué)過程，改善實驗條件、改革實驗教學(xué)模式、課件制作以及遠(yuǎn)程教育方面發(fā)揮了重要的作用，為充分發(fā)揮電路仿真平臺軟件的教學(xué)功能提供了廣闊的應(yīng)用環(huán)境。為此，提出操作性試驗與軟件仿真試驗相結(jié)合的設(shè)計思想，實踐教學(xué)活動按照從基礎(chǔ)性操作試驗、綜合性仿真試驗到設(shè)計性仿真試驗、創(chuàng)新性實訓(xùn)，設(shè)置實踐教學(xué)模塊，既重視基礎(chǔ)實驗，更強(qiáng)調(diào)綜合設(shè)計性實驗，體現(xiàn)“以學(xué)生為本，促進(jìn)學(xué)生知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展”的教育理念。多層次實踐教學(xué)模式如圖1所示。

圖1 多層次實踐教學(xué)模式

圖1中，基礎(chǔ)性操作試驗在我校實驗中心“高性能電工電子試驗裝置”上完成，主要培養(yǎng)學(xué)生必需的電工電子硬件實驗的基礎(chǔ)知識及靈活運用電工電子的基本能力；綜合性仿真試驗及設(shè)計性仿真試驗由學(xué)生在仿真軟件上操作，注重培養(yǎng)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣、旺盛的求知欲、積極的探索精神、堅持真理的態(tài)度；電路實訓(xùn)環(huán)節(jié)主要考察學(xué)生對電路的綜合掌握情況及設(shè)計能力的培養(yǎng)。

每個試驗項目的必做項目由老師指導(dǎo)在試驗課堂完成，選做實驗項目在開放試驗時間由學(xué)生自行完成，利用電路實驗室的全面開放，學(xué)生也可以完成實驗項目的預(yù)習(xí)、課內(nèi)已完成的實驗項目的重做或者未完成實驗項目的補(bǔ)做，真正做到因材施教，使拔尖創(chuàng)新人才得以充分發(fā)揮其潛力和才能，為高素質(zhì)人才的脫穎而出創(chuàng)造了良好的成長條件。

2.教學(xué)改革的實施特點

電路教學(xué)改革的重點體現(xiàn)在強(qiáng)化了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，以Mutisim軟件作為仿真平臺，通過優(yōu)化、更新實驗課程內(nèi)容，加強(qiáng)綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗項目，強(qiáng)化學(xué)生工程訓(xùn)練和設(shè)計能力培養(yǎng)。

2.1 多媒體技術(shù)的特點

多媒體教學(xué)作為現(xiàn)代教學(xué)方式，具有許多優(yōu)勢。第一，課件形式多樣化。課件中可加入聲音、動畫、彩圖等傳媒手段，使授課內(nèi)容的展現(xiàn)形式豐富多樣化，有利于吸引學(xué)生的注意力。第二，授課內(nèi)容清晰。在電路教學(xué)中有許多復(fù)雜的電路圖和元件實物圖，黑板上難以呈現(xiàn)，費時費力，且不清晰，通過多媒體可以輕松實現(xiàn)。第三，多媒體教學(xué)信息量大。減少了傳統(tǒng)教學(xué)中教師的抄寫時間，便于在有限課時內(nèi)完成教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)效率。

2.2 Mutisim的特點及仿真方法

(1)直觀的圖形界面

整個界面就像是一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真的儀器儀表均可直接放到工作區(qū)，輕點鼠標(biāo)即可完成導(dǎo)線的連接，軟件儀器的控制面板和操作方式與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。

(2)豐富的元器件庫

NI Mutisim10大大擴(kuò)充了EWB的元件庫，包括基本元件、半導(dǎo)體元件、TTL以及CMOS數(shù)字IC、DAC、ADC、MCU和其他各種部件，切用戶可通過元件編輯器自行創(chuàng)建和修改所需元件模型，還可通過公司官方網(wǎng)站和代理商獲得元件模型的擴(kuò)充和更新服務(wù)。

(3)豐富的測試儀器儀表

除了EWB具備的數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、示波器、掃頻儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀外，還新增了瓦特表、失真分析儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀，且所有儀器均可多臺同時調(diào)用。

(4)完備的分析手段

支持直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、批處理分析、靈敏度分析等，能基本滿足電子電路設(shè)計和分析的要求。

(5)強(qiáng)大的仿真功能

NI Mutisim10既可對模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真，也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡妫抡媸r會顯示錯誤信息，提示可能出錯的原因，仿真結(jié)果可隨時存儲和打印。

(6)完美的兼容功能

NI Mutisim10可方便地將模擬結(jié)果以原有文檔格式導(dǎo)入LABVIEW或者Signal Express中。工程人員可更有效的分享及比較仿真數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，而無須轉(zhuǎn)換文件格式，在分享數(shù)據(jù)時減少了失誤，提高了效率。

3.基于NI Mutisim10的仿真方法，步驟及應(yīng)用實例

3.1 仿真方法

基于電路分析基礎(chǔ)的仿真方法主要有兩種：一種是測量法，就是用軟件元件庫中的儀表直接去測量電路兩端的信號，比如點位、電壓、電流信號等。第二種是分析法，就是用軟件中提供的電路分析法直接去分析電路，比如直流分析，交流分析等。

3.2 仿真步驟

(1)建立電路文件。啟動Mutisim10，系統(tǒng)自動創(chuàng)建一個默認(rèn)標(biāo)題為“Circuit1”的新電路文件，該文件可以另存。

(2)軟件界面的定制、MUtisim10允許用戶根據(jù)自己的習(xí)慣設(shè)置軟件的界面，包括工具欄、電路顏色、頁面尺寸、聚焦倍數(shù)的設(shè)置等，可以通過點擊“Options→Global Preferences”選項，在彈出的對話框中進(jìn)行設(shè)置。

(3)放置元器件，可以在標(biāo)準(zhǔn)工具欄中選擇，也可點擊菜單欄中點擊“Place→Component”，在彈出的對話框中選擇需要的元器件。

(4)放置導(dǎo)線和節(jié)點進(jìn)行電路的連接。

(5)放置儀器儀表進(jìn)行測量，或者點擊Simulate進(jìn)行仿真分析。

3.3 仿真實例

以RLC串聯(lián)諧振電路為例，創(chuàng)建電路圖如圖2所示。

圖2 RLC串聯(lián)諧振電路

(1)點擊Simulate下拉菜單的Run或者直接點擊仿真開關(guān)，可以在模擬示波器XSC1觀察到電源和電阻兩端的電壓波形如圖3所示。

圖3 電壓波形

(2)點擊“Simulate/Analyses/AC Analyses”(交流分析)即可得到幅頻特性曲線和相頻特性曲線，移動游標(biāo)至縱坐標(biāo)最大值下降3dB位置，即可得到上下限截止頻率fL和fH分別為1.53KHz，1.68KHz，由此可知通頻帶寬度為f=fH-fL≈150KHz，RLC串聯(lián)諧振電路的幅頻特性曲線、相頻特性曲線和通頻帶如圖4所示。

圖4 RLC串聯(lián)諧振電路的幅頻特性曲線、相頻特性曲線和通頻帶

通過對RLC串聯(lián)諧振電路的運行仿真，交流分析，不難得出，利用Mutisim仿真平臺，能夠很方便的組成電路，更換元件，調(diào)節(jié)電路元件參數(shù)，觀察波形，驗證電路的對錯，這在實際試驗操作中是難以完成的，從而提高學(xué)生的動手能力及獨立思考的能力。

實驗教學(xué)中選用NI Mutisim軟件作為電路仿真平臺，對應(yīng)用型本科學(xué)生電子電路設(shè)計能力和故障診斷能力的提高是可行性，仿真技術(shù)賦予了電路教學(xué)以新的方式方法，激發(fā)了學(xué)生的探索興趣，提高了實驗效率，降低了實驗風(fēng)險，開拓了新思路?？傊怯捎诜抡孳浖膽?yīng)用，既保證了每個學(xué)生達(dá)到共同電子技術(shù)基礎(chǔ)的前提下，又可以針對不同學(xué)科分門別類，分層次的設(shè)計出多樣的、可供不同發(fā)展?jié)撃軐W(xué)生選擇的電路實驗。

4.結(jié)論

在應(yīng)用型本科的教學(xué)過程中，我們努力探索正確的傳授知識、培養(yǎng)能力和全面素質(zhì)教育關(guān)系的實踐做法。以電類工科為例，為加快電路課程教學(xué)改革的步伐，從課程的相關(guān)知識、仿真軟件的使用及多媒體的應(yīng)用等方面提出了電路課程的優(yōu)化方案，重點著眼于提高學(xué)生的實際動手能力和分析解決問題的能力。通過Mutisim仿真軟件以實例說明了仿真效果，使抽象的內(nèi)容具體化、形象化、趣味化，同時加大了綜合性、設(shè)計性實驗的力度，增強(qiáng)了培養(yǎng)學(xué)生的開拓創(chuàng)新意識。但提供虛擬環(huán)境的仿真軟件不可完全代替操作性試驗，只有將兩者有機(jī)結(jié)合起來，才能實現(xiàn)電路課程的整合構(gòu)建，共同推進(jìn)電路的教學(xué)改革，為后續(xù)課程及從事本專業(yè)有關(guān)的工程技術(shù)等工作打下堅定的基礎(chǔ)。

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