MATLAB仿真技術(shù)在“電路”課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：針對(duì)“電路”課程理論抽象、與實(shí)際問(wèn)題結(jié)合緊密、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)及素質(zhì)教育，確立了電路課程的教學(xué)目標(biāo)，探索了理論與實(shí)踐教學(xué)中各階段的教學(xué)方法。通過(guò)MATLAB在電路實(shí)踐教學(xué)中的實(shí)例，論證了MATLAB仿真與電路理論教學(xué)相結(jié)合的可行性與必要性。

關(guān)鍵詞：電路；仿真技術(shù)；教學(xué)模式；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）26-0042-02

“電路”課程是高等學(xué)校電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的重要基礎(chǔ)課，課程知識(shí)是對(duì)實(shí)際問(wèn)題的抽象研究。電路課程不涉及具體電器元件，主要講述電路的一般分析計(jì)算方法，具有較強(qiáng)的理論性。該課程介紹電路理論的基本知識(shí)、基本理論及基本方法，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課及專(zhuān)業(yè)課的先修課程。作為一門(mén)理論性、實(shí)踐性都較強(qiáng)的課程，其教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生獲得電路理論方面的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為深入學(xué)習(xí)后續(xù)課程打好基礎(chǔ)。[1]

針對(duì)該課程的特點(diǎn)，為了盡快引導(dǎo)學(xué)生入門(mén)，在理論授課、實(shí)踐教學(xué)中引入仿真技術(shù)，幫助學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。MATLAB作為強(qiáng)大的仿真工具，對(duì)學(xué)生直觀地、高效地理解電路的相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)有很大的幫助。筆者在教學(xué)中進(jìn)行了一定的探索和研究。

一、仿真技術(shù)在電路理論教學(xué)中的應(yīng)用

電路課程的主要內(nèi)容包括理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等，如何激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力是一個(gè)關(guān)鍵。為了能夠進(jìn)行有效的課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，加深對(duì)電路相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，應(yīng)該利用仿真技術(shù)將理論與實(shí)踐相結(jié)合，貫徹以教師指導(dǎo)、以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)方式。

1.傳統(tǒng)理論教學(xué)存在的問(wèn)題

“電路”課程作為電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的重要基礎(chǔ)理論課，為學(xué)習(xí)電氣專(zhuān)業(yè)知識(shí)起到關(guān)鍵作用，結(jié)合新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生的實(shí)際情況，“電路”課理論教學(xué)存在的主要問(wèn)題有：教學(xué)內(nèi)容過(guò)于抽象，學(xué)生覺(jué)得難以理解，學(xué)習(xí)效率較低；電路的定律多，學(xué)生不易掌握和應(yīng)用；電路的分析方法多，課堂學(xué)時(shí)有限，不能將所有問(wèn)題都涉及到。學(xué)生如何做到舉一反三，在課余的學(xué)習(xí)過(guò)程中怎樣能夠驗(yàn)證對(duì)某一問(wèn)題分析的正確性。

因此在教學(xué)中采取何種教學(xué)模式，如何全面、系統(tǒng)、有效地教授該課程，激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的積極性、主動(dòng)性及自學(xué)能力，成為教師需要解決的問(wèn)題。

2.仿真技術(shù)在電路理論教學(xué)中的應(yīng)用

根據(jù)前述電路理論教學(xué)中存在的問(wèn)題，需要對(duì)傳統(tǒng)的電路理論教學(xué)方法進(jìn)行改革，而教學(xué)方法的改革離不開(kāi)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的更新優(yōu)化和對(duì)教學(xué)模式的改革。將MATLAB應(yīng)用到電路課的理論教學(xué)及實(shí)踐教學(xué)中，可以很好地解決上述問(wèn)題。主要表現(xiàn)在：

第一，將抽象的問(wèn)題形象化，將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，從而激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率；第二，通過(guò)MATLAB對(duì)分析的問(wèn)題進(jìn)行電路建模時(shí)可以對(duì)已學(xué)電路的定律及電路分析方法有更深入的認(rèn)識(shí)。

例如在學(xué)習(xí)電路網(wǎng)絡(luò)理論中要涉及矩陣知識(shí)，學(xué)生在初學(xué)二端口電路端口特性的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)遇到要計(jì)算參數(shù)矩陣的問(wèn)題，要計(jì)算一個(gè)電路的多種參數(shù)矩陣，或者問(wèn)題涉及到二端口電路的互連，題目的計(jì)算量可能就會(huì)相當(dāng)繁重，這使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用都會(huì)有一些困難，而借助MATLAB這一數(shù)學(xué)軟件來(lái)進(jìn)行矩陣計(jì)算，[2]學(xué)生就可以克服計(jì)算上的困難，通過(guò)編程同樣可以達(dá)到對(duì)電路理論和方法的學(xué)習(xí)，并激發(fā)學(xué)生對(duì)后繼課程更大的興趣。

算例1：信號(hào)源（其內(nèi)阻為）與負(fù)載（）相匹配，在其間插入一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，已知，，。若，求負(fù)載吸收的功率。

從上述過(guò)程可以看出學(xué)生利用MATLAB軟件解題。首先可以簡(jiǎn)化計(jì)算，使學(xué)生從復(fù)雜的計(jì)算中解脫出來(lái)；其次，在建模過(guò)程中學(xué)生通過(guò)利用電路定律及電路方法分析問(wèn)題，提高學(xué)生對(duì)電路知識(shí)的應(yīng)用及理解，提高了學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；再次，利用MATLAB編制程序，鍛煉了學(xué)生編程能力，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。最后，可以直觀地看到運(yùn)行結(jié)果。

二、仿真技術(shù)在電路實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

電路實(shí)驗(yàn)是電氣工程專(zhuān)業(yè)接觸本專(zhuān)業(yè)的第一門(mén)實(shí)踐課程，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的重要環(huán)節(jié)，這種能力不僅僅是實(shí)踐操作能力，更重要的是創(chuàng)造性思維能力。

1.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題：第一，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)占主要地位。從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上可以看出大多實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)手段上看，大多實(shí)驗(yàn)是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按照規(guī)定的實(shí)驗(yàn)線路和實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行的。第二，教師講解代替學(xué)生預(yù)習(xí)。為了讓學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，老師詳細(xì)的講解實(shí)驗(yàn)，學(xué)生完成操作，未能發(fā)揮學(xué)生的積極主觀能動(dòng)性。第三，學(xué)生缺乏實(shí)驗(yàn)興趣，缺乏實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性。大多數(shù)學(xué)生知識(shí)停留在認(rèn)知過(guò)程，缺乏深層次的理解。

2.仿真技術(shù)在電路實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

（1）完善基本規(guī)范型實(shí)驗(yàn)。根據(jù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及教學(xué)計(jì)劃，制訂了實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，并根據(jù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的要求，及時(shí)調(diào)整相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的安排，重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，即根據(jù)實(shí)際電路，分析電路結(jié)構(gòu)及建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，可以編寫(xiě)出相應(yīng)的程序或電路模型，并能獨(dú)立解決調(diào)試程序中遇到的問(wèn)題，改變了過(guò)去的單一驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的探索創(chuàng)新精神。

基本規(guī)范型實(shí)驗(yàn)是學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)電路中基本知識(shí)、基本理論、基本方法最直接的理解途徑。通過(guò)MATLAB仿真軟件對(duì)電路的仿真，使學(xué)生不僅對(duì)電路理論有了更深的理解，同時(shí)對(duì)電路的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及電路設(shè)計(jì)有了初步的認(rèn)識(shí)。通過(guò)仿真學(xué)生將理論計(jì)算、仿真計(jì)算及實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，提高學(xué)生分析問(wèn)題的能力。

算例 2：基本規(guī)范實(shí)驗(yàn)——基爾霍夫定律的驗(yàn)證

1）基爾霍夫定律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理圖（見(jiàn)圖2）

2）利用Simulink搭建仿真電路圖（見(jiàn)圖3）

學(xué)生通過(guò)仿真首先可以直觀看到仿真結(jié)果，可以激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，加強(qiáng)學(xué)習(xí)的目的性，其次可以將仿真結(jié)果與理論計(jì)算及實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考和討論，增強(qiáng)認(rèn)識(shí)，找到誤差原因，提高學(xué)生分析問(wèn)題的能力。

（2）改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，研究拓展性實(shí)驗(yàn)。拓展性實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容改革的重點(diǎn)和難點(diǎn)，筆者在實(shí)驗(yàn)課程中開(kāi)設(shè)研究拓展性實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

電路課程雖然是一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，但對(duì)學(xué)生電路的分析能力要求較高。為了通過(guò)實(shí)踐教學(xué)提高學(xué)生分析電路的能力，筆者通過(guò)拓展研究型實(shí)驗(yàn)來(lái)訓(xùn)練學(xué)生的思維，達(dá)到舉一反三，提高學(xué)生的能力。

此部分要求學(xué)生自己設(shè)計(jì)并搭建電路。首先由學(xué)生利用MATLAB仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并進(jìn)行合理性與可行性分析。如果合理，即可進(jìn)行下一步驟，否則重新進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，直到合理。完成實(shí)驗(yàn)后，還可將測(cè)量結(jié)果與仿真值進(jìn)行比較，并分析誤差存在的原因。實(shí)踐表明將MATLAB仿真軟件應(yīng)用到電路實(shí)踐教學(xué)中對(duì)提升學(xué)生興趣、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、提升綜合實(shí)踐能力有良好的推進(jìn)作用。

二、仿真技術(shù)應(yīng)用于電路教學(xué)的特點(diǎn)及效果

通過(guò)多年教學(xué)實(shí)踐得出以下結(jié)論：一是課程實(shí)行了理論教學(xué)與實(shí)踐內(nèi)容相結(jié)合的改革，目標(biāo)明確。依據(jù)教學(xué)大綱的要求和實(shí)踐教學(xué)的目的，選擇能夠貫穿實(shí)踐能力培養(yǎng)的實(shí)踐項(xiàng)目，教學(xué)內(nèi)容在逐步完成實(shí)踐項(xiàng)目的過(guò)程中展開(kāi)，課內(nèi)課外訓(xùn)練并行，通過(guò)完成實(shí)踐項(xiàng)目的訓(xùn)練過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)。二是基礎(chǔ)理論教學(xué)內(nèi)容能即時(shí)通過(guò)軟件仿真驗(yàn)證，說(shuō)服力強(qiáng)，學(xué)生印象深刻。三是各實(shí)踐環(huán)節(jié)彼此關(guān)聯(lián)，從小到大，從簡(jiǎn)到繁，從局部到整體，層層推進(jìn)，形成了一個(gè)完整的實(shí)踐教學(xué)模式。四是仿真技術(shù)應(yīng)用于電路教學(xué)中，成為教學(xué)的有意補(bǔ)充，教學(xué)效果良好，學(xué)生反映較好。

三、結(jié)論

根據(jù)“電路”課程的特點(diǎn)，構(gòu)建了理論教學(xué)、基本規(guī)范實(shí)驗(yàn)、拓展探究型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了傳授、學(xué)習(xí)、實(shí)踐等教學(xué)全過(guò)程的模式改革。通過(guò)這些實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，使學(xué)生積累了實(shí)踐活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生濃厚的創(chuàng)新意識(shí)，強(qiáng)烈的實(shí)踐參與意識(shí)，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了很好的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）