Multisim在“電工學(xué)”課堂教學(xué)中的應(yīng)用研究

孫向文?孫立功

摘要：“電工學(xué)”是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)性課程，各種電路分析離不開實(shí)驗(yàn)環(huán)境的再現(xiàn)。介紹了Multisim虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的先進(jìn)性，通過實(shí)例分析了Multisim在“電工學(xué)”課堂教學(xué)中的應(yīng)用，使得教學(xué)過程形象、直觀，更好地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的能動(dòng)性，教學(xué)效果更好。

關(guān)鍵詞：課堂教學(xué)；Multisim；虛擬儀器；仿真

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）11-0073-02

“電工學(xué)”（電工與電子技術(shù)）是高等院校工科非電專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，其任務(wù)是為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)和從事工程技術(shù)工作打下電工電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)，并使他們受到良好的基本技能訓(xùn)練?！半姽W(xué)”課程是一門技術(shù)應(yīng)用型課程，一些重要概念、原理的講解以及電路的分析都離不開實(shí)驗(yàn)環(huán)境的再現(xiàn)。為了提高“電工學(xué)”課程教學(xué)效果，在“電工學(xué)”課堂教學(xué)中引入了Multisim虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使得這些概念、原理的學(xué)習(xí)形象化、具體化，而電路分析應(yīng)用過程更貼近實(shí)際，使得學(xué)生可以更好、更快地掌握教學(xué)內(nèi)容，提高綜合分析問題的能力。

一、Multisim工具的先進(jìn)性

1.Multisim概述[1]

Multisim是加拿大Interactive Image Technology公司于20世紀(jì)90年代末推出的電子線路仿真軟件，可以對(duì)模擬、數(shù)字及其混合電路進(jìn)行仿真，克服了傳統(tǒng)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)受實(shí)驗(yàn)室條件限制的局限。電路設(shè)計(jì)者利用其提供的虛擬元件在計(jì)算機(jī)上就可以搭建各種電路，進(jìn)行各種參數(shù)和性能指標(biāo)的測試。與其他電路仿真軟件比較，Multisim具有界面直觀、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)建電路、選用元件和測試儀器均可直接從屏幕圖形中選取，而且測試儀器的圖形和實(shí)物外形相似，有一般電子技術(shù)基礎(chǔ)的人員，幾個(gè)小時(shí)就可以學(xué)會(huì)Multisimd的操作，因此在電子工程設(shè)計(jì)和高校電子類教學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

Multisim是一種非常優(yōu)秀的電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)工具，作為電子類相關(guān)課程的輔助教學(xué)和實(shí)訓(xùn)手段，可以幫助學(xué)生更好地掌握課堂教學(xué)內(nèi)容，加深對(duì)概念、原理的理解；通過對(duì)電路的仿真，可是使學(xué)生熟悉常見的電子儀器測量方法，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力、排除故障能力和開發(fā)、創(chuàng)新能力。

2.課堂教學(xué)使用Multisim的主要優(yōu)勢[2]

Multisim仿真軟件使元器件虛擬化，易于學(xué)生理解電路組成。Multisim的工作界面非常直觀，原理圖和各種工具都在同一個(gè)窗口內(nèi)，未接觸過它的人稍加學(xué)習(xí)就可以很熟練地操作該軟件，便于在課堂教學(xué)中及時(shí)地插入和退出。

Multisim仿真軟件眾多的虛擬儀器，能像實(shí)際電路一樣看到測量結(jié)果。用Multisim進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程非常接近實(shí)際操作的效果。元器件選擇范圍廣，參數(shù)修改方便，使電路調(diào)試變得快捷、方便，在課堂教學(xué)中的使用極大地節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。此外，還可以對(duì)被仿真電路中的元件設(shè)置各種障礙，以便觀察到故障情況下的電路工作狀態(tài)。

Multisim仿真軟件提供了較為完善的電路分析功能，其中基本的電路分析方法包括：直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析、失真分析、噪聲分析、直流掃描分析。這些分析方法可以滿足課堂教學(xué)的要求。

3.Multisim的虛擬實(shí)驗(yàn)過程

一是熟悉Multisim用戶界面；二是根據(jù)電路從工具欄的元件庫中選擇元件放到工作區(qū)；三是將工作區(qū)的元件用導(dǎo)線連接，并設(shè)置參數(shù)；四是選擇儀器或儀表，與需觀測的節(jié)點(diǎn)連接；五是電路仿真運(yùn)行；六是觀察儀器儀表，記錄運(yùn)行結(jié)果，也可以從“分析欄”中的“分析顯示圖”看到測量、分析的波形圖；七是保存電路圖和仿真結(jié)果。

二、Multisim在課堂教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

1.交流電路分析

在交流電路的課堂教學(xué)中，在討論阻抗的性質(zhì)時(shí)會(huì)用到感性、容性等概念，而在討論交流電壓、電流的關(guān)系時(shí)，又會(huì)用到超前、滯后等概念。以前在講到該部分內(nèi)容時(shí)，往往要通過板書繪圖或掛圖來顯示波形關(guān)系，而現(xiàn)在可以在Multisim界面上設(shè)計(jì)如圖1所示的交流電路，通過虛擬儀器測量電路電流和顯示電路電壓波形。

由圖1可知，電路為RLC串聯(lián)電路。串聯(lián)等效阻抗Z為，阻抗的模為，幅角θ為。由圖中元件參數(shù)可計(jì)算得，阻抗的幅角，即輸入電壓超前R1電阻兩端電壓θ。此結(jié)果與圖2的仿真結(jié)果相吻合。

在課堂教學(xué)中，可以通過調(diào)整RLC的參數(shù)改變阻抗Z的性質(zhì)，使之具有感性、容性、純阻性，進(jìn)而觀察對(duì)兩個(gè)電壓波形相位關(guān)系的影響，使學(xué)生明白相位超前、滯后的概念。

2.放大電路分析

對(duì)于電子電路中單管放大電路的放大特性分析，設(shè)計(jì)共射極放大電路如圖3所示，雙蹤示波器A通道測量的是輸入波形，B通道測量的是輸出波形。由圖4示波器可以看出，輸出波形與輸入波形是反相的，再根據(jù)示波器顯示的輸入輸出波形的幅值數(shù)據(jù)，就可以方便的計(jì)算出電路的電壓放大倍數(shù)。這樣的教學(xué)方式，比原來純數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)更形象，也更容易理解記憶。

3.邏輯電路分析

邏輯轉(zhuǎn)換儀是Multisim中特有的一種虛擬儀器，主要用于邏輯電路幾種表示方法間的相互轉(zhuǎn)換，如把邏輯電路轉(zhuǎn)換為真值表、真值表轉(zhuǎn)換為邏輯式、邏輯式轉(zhuǎn)換為電路等。利用該功能，可以輕松的在課堂教學(xué)中將邏輯電路的表示方式介紹清楚。

圖5是帶有邏輯轉(zhuǎn)換儀的一個(gè)邏輯電路，利用在數(shù)字電子技術(shù)中的知識(shí)可以看出此電路為一位全加器電路，根據(jù)轉(zhuǎn)換類別點(diǎn)擊邏輯轉(zhuǎn)換儀的轉(zhuǎn)換按鈕，可得到如圖6所示的結(jié)果。圖6是將邏輯電路轉(zhuǎn)換成真值表的形式。

三、Multisim應(yīng)用效果分析

1.可以使教學(xué)實(shí)現(xiàn)真實(shí)性

Multisim虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行時(shí)的電路技術(shù)指標(biāo)和數(shù)據(jù)是真實(shí)的，與實(shí)際電路運(yùn)行相同，同時(shí)避免了實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中人為因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，實(shí)驗(yàn)效果更好。由于電路的搭設(shè)和改變方便快捷，在課堂上做一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)所占時(shí)間不多，且學(xué)生有一種身臨其境的感覺，其課堂效果自然比傳統(tǒng)教學(xué)中語言的直接描述好得多。

2.可以使學(xué)生有一種參與感

在課堂教學(xué)過程中，對(duì)于電路的設(shè)計(jì)、分析可以讓學(xué)生參與其中，提出自己的意見，避免教師灌輸式的教學(xué)模式，可以極大地激發(fā)學(xué)生的興趣，使學(xué)生對(duì)分析結(jié)果、概念、定理的理解更加牢固。

3.便于改革教學(xué)方法

以往教學(xué)模式是教師提出問題后自己分析，進(jìn)而給出結(jié)論。有了Multisim虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)支持，可以通過實(shí)驗(yàn)提出問題，在分析的過程中提出各種變化可能，通過變更電路結(jié)構(gòu)、電路參數(shù)等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

四、結(jié)束語

隨著電工電子技術(shù)的飛速發(fā)展，課堂教學(xué)的內(nèi)容越來越多，與實(shí)際聯(lián)系也更加緊密，在“電工學(xué)”課堂教學(xué)中引入Multisim技術(shù)是一種發(fā)展趨勢。今后將Multisim技術(shù)應(yīng)用于“電工學(xué)”課堂教學(xué)，可以把教師的課堂演示、學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作、課外延伸學(xué)習(xí)貫穿一體；把理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、問題分析有機(jī)融合；把課內(nèi)與課外、理論與實(shí)踐、理解與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合。使整個(gè)教學(xué)過程虛實(shí)結(jié)合、軟硬結(jié)合、學(xué)做結(jié)合，更有利于學(xué)生個(gè)性化發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：孫晴）