Multisim在“電路分析”項目教學(xué)中的探索與實踐

摘要：根據(jù)工科學(xué)生的實際情況，結(jié)合NI公司推出的最新Multisim11.0電子虛擬仿真軟件的特性，以“電路分析”教學(xué)為例，將Multisim11.0與項目教學(xué)法結(jié)合應(yīng)用于課堂教學(xué)中。實踐結(jié)果表明：該方法能夠激發(fā)學(xué)生的積極性，加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解，優(yōu)化課堂教學(xué)的效果同時提高學(xué)生的動手能力，促進了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣發(fā)展。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；電路分析；項目教學(xué)法

中圖分類號：TN710.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）30-0039-02

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力[1]。

國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）指出要加快教育信息化進程，建立虛擬實驗室，強化信息技術(shù)應(yīng)用。提高教師應(yīng)用信息技術(shù)水平，更新教學(xué)觀念，改進教學(xué)方法，提高教學(xué)效果[2]。

本課題利用虛擬仿真軟件Multisim 11.0，結(jié)合“項目教學(xué)法”，應(yīng)用于“電路分析”教學(xué)中，讓學(xué)生利用信息技術(shù)主動學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，增強運用信息技術(shù)分析解決項目中難題的能力，有效解決電類及相關(guān)專業(yè)教學(xué)中存在的實驗實訓(xùn)室場所有限、實驗設(shè)備更新速度慢、實驗實訓(xùn)教學(xué)等項目相對固定，可開發(fā)的空間不大等難題，并且能夠激發(fā)學(xué)生的積極性，加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解，優(yōu)化課堂教學(xué)的效果。同時提高學(xué)生的動手能力，促進了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣發(fā)展。

一、“電路分析”課特點分析

“電路分析”是電氣、電子信息、通信、計算機、自控類專業(yè)一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，是研究電路理論的入門課程。學(xué)生對“電路分析”課程的掌握情況直接關(guān)系到后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，是學(xué)好專業(yè)課程的前提和必要條件[3]。

目前，大部分高等院校仍采用傳統(tǒng)“電路分析”教學(xué)方法，表現(xiàn)特點為：

教師教學(xué)以灌輸課程知識為主，忽視了啟發(fā)性學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)性學(xué)習(xí)、行動性學(xué)習(xí)和設(shè)計性學(xué)習(xí)對學(xué)生發(fā)展的價值。

只注重講解理論知識和習(xí)題練習(xí)而忽視培養(yǎng)動手能力和創(chuàng)新思考能力。

學(xué)生僅僅被動地接受知識，教學(xué)過程中缺乏學(xué)生與教師的互動，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性、協(xié)助性受到很大的影響。

傳統(tǒng)的“電路分析”教學(xué)內(nèi)容理論性強，公式推導(dǎo)復(fù)雜，要學(xué)好它，不僅需要具有較高的數(shù)學(xué)功底、較扎實的物理知識，而且需要學(xué)生具有較高的抽象思維能力和自主探究能力，對于工科學(xué)生來說，采用傳統(tǒng)的方法授課，不僅感到這門課程枯燥乏味，而且很難掌握。

二、Multisim 11.0結(jié)合項目教學(xué)法在“電路分析”教學(xué)中的優(yōu)勢

Multisim11.0具有直觀的圖形界面、豐富的元器件、強大的仿真能力、豐富的測試儀器、完備的分析手段、獨特的射頻（RF）模塊、強大的MCU模塊、完善的后處理、詳細(xì)的報告、兼容性好的信息轉(zhuǎn)換等強大功能。它可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題，可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來[4-6]。

“項目教學(xué)法”突破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)中“以教師為中心”的教學(xué)理念，強調(diào)學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，注重學(xué)科之間的交叉性，倡導(dǎo)自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)[7]。

Multisim11.0結(jié)合“項目教學(xué)法”在“電路分析”教學(xué)中的優(yōu)勢：高指標(biāo)的虛擬儀器和充足的元器件資源，彌補了實踐經(jīng)費不足，實驗實訓(xùn)室場所有限，實驗設(shè)備更新速度慢等缺憾；擴展了學(xué)生的實踐空間和實驗實訓(xùn)內(nèi)容，擴大信息接受量，增大課堂教學(xué)容量，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；易于學(xué)生進行拓展性、研究性實驗，開闊思維，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；促進學(xué)生加深知識的理解和記憶，有利于師生之間的情感交流。

三、Multisim 11.0結(jié)合項目教學(xué)法在“電路分析”教學(xué)中的應(yīng)用實踐

“電路分析”主要內(nèi)容之一是研究電子電路各節(jié)點的電流電壓關(guān)系，Multisim 11.0特有的測量工具Measurement Probe（測量探針）[8]，具備了這一強大功能，可以利用Multisim 11.0這一特性設(shè)計項目。

1.確定項目任務(wù)，編寫《項目任務(wù)書》

舉例項目任務(wù)：利用Multisim 11.0的測量工具Measurement Probe學(xué)習(xí)基爾霍夫電壓定律（KVL）和基爾霍夫電流定律（KCL）[9]。測試圖1電路中各回路的電壓及各節(jié)點電流，驗證基爾霍夫電壓定律（KVL）和基爾霍夫電流定律（KCL）。該項目可分解為3個子任務(wù)。

子任務(wù)1：Measurement Probe的學(xué)習(xí)及使用。

子任務(wù)2：基爾霍夫電壓定律（KVL）的學(xué)習(xí)。分別測試圖1中閉合回路1-2-3-0-1，2-5-4-3-2，3-4-5-0-3，1-2-5-0-1的電壓降的代數(shù)和是否為零，符合基爾霍夫電壓定律（KVL）。

子任務(wù)3：基爾霍夫電流定律（KCL）的學(xué)習(xí)。分別測試圖1中流入節(jié)點2、3、5電流總和是否等于流出節(jié)點2、3、5的電流總和，符合基爾霍夫電流定律（KCL）。

2.布置項目任務(wù)

分發(fā)項目任務(wù)書，講解項目要求，使各小組明確學(xué)習(xí)任務(wù)和要求。

3.各工作小組擬訂活動方案，教師審核方案

如該項目的活動方案：首先搞清楚圖1中7個Measurement Probe分別顯示的內(nèi)容，掌握探針的使用；其次搞清楚如何求閉合回路的電壓降，鞏固KVL知識點；最后搞清楚如何求流經(jīng)節(jié)點電流的總和，鞏固KCL知識點。

4.項目小組的活動實施，學(xué)生動手實踐

學(xué)生通過查閱資料、教師輔導(dǎo)、相互討論等形式自主獲取課題的相關(guān)知識、資料，并整理、取舍資料，進行項目任務(wù)的驗證和設(shè)計。

如實施該項目子任務(wù)1，通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、相互討論和教師輔導(dǎo)，基本掌握Measurement Probe的使用。圖1中共7個Measurement Probe，每個Probe顯示的內(nèi)容依次為：總電壓（V），交流電壓峰峰值（V（p-p）），交流電壓有效值（V（rms）），直流電壓（V（dc）），總電流（I），交流電流峰峰值（I（p-p）），交流電流有效值（I（rms）），直流電流（I（dc）），交流頻率（Freq）。

掌握Measurement Probe后，對完成整個項目非常便捷，以子任務(wù)2為例，驗證閉合回路1-2-3-0-1：

（1）

由圖1可知：

（2）

（3）

（4）

（5）

由式（2）～（5）得：，閉合回路1-2-3-0-1符合基爾霍夫電壓定律（KVL）。

子任務(wù)3以節(jié)點2為例，驗證：

（6）

其中：

（7）

由式（7）得：

（8）

誤差是由于Measurement Probe顯示3位有效數(shù)造成，符合基爾霍夫電流定律（KCL）。

5.項目答辯與師生評價。在此階段，通過“項目成果匯報、學(xué)生自我評估、組別互評、教師點評、師生共同總結(jié)”等程序完成對各小組項目任務(wù)完成的評價。

6.歸檔或項目結(jié)果應(yīng)用。項目教學(xué)總結(jié)，并把項目工作的結(jié)果歸檔或應(yīng)用到企業(yè)和學(xué)校的生產(chǎn)教學(xué)實踐中去，以使項目工作的結(jié)果盡可能具有實用價值，指導(dǎo)后續(xù)工作。

此外，對該項目進行拓展，還可以利用測量探針得到的電壓電流值，學(xué)習(xí)并鞏固疊加定理，置換定理，互易定理等重要電路理論。

四、實踐結(jié)果分析

“電路分析”課程期中、期末都組織了考試，本次調(diào)查選取了同年級的電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和信息工程專業(yè)兩個班級分別作為教改班和普通班，兩個班級總?cè)藬?shù)分別為39人、41人，就期中、期末成績進行了對比分析。具體分析如表1所示：

表1 教改班與普通班期中、期末成績各分?jǐn)?shù)段對比

分?jǐn)?shù)100～90分89～80分79～70分69～60分60分以下

班級教改班普通班教改班普通班教改班普通班教改班普通班教改班普通班

期中人數(shù)44651616101333

期中人數(shù)/班級總?cè)藬?shù)10.269.7615.3812.1941.0339.0225.6431.717.697.32

期末人數(shù)85107161521133

期末人數(shù)/班級總?cè)藬?shù)20.5112.1925.6417.0741.0336.595.1326.837.697.32

由表1可知，教改班和普通班從期中到期末考試中各個分?jǐn)?shù)段的人數(shù)差異逐漸增大。由此可見，將Multisim 11.0結(jié)合“項目教學(xué)法”應(yīng)用于“電路分析”教學(xué)中產(chǎn)生的作用是逐步體現(xiàn)的。

從期中成績可知，教改班和普通班各個分?jǐn)?shù)段的學(xué)生人數(shù)所占班級總?cè)藬?shù)百分比的差別不大。但期末成績變化很明顯，觀察各個分?jǐn)?shù)段，教改班100～90分、89～70分和79～70分三個分?jǐn)?shù)段的學(xué)生人數(shù)所占班級總?cè)藬?shù)百分比都比普通班的多，分別高出8.32%、8.57%、4.44%；而69～60分這一分?jǐn)?shù)段教改班學(xué)生人數(shù)明顯少于普通班，百分比低了21.70%；60分以下分?jǐn)?shù)段兩個班學(xué)生人數(shù)差別不大，并且從期中到期末考試學(xué)生人數(shù)所占班級總?cè)藬?shù)百分比沒有改變，這一現(xiàn)象說明在教學(xué)中應(yīng)用Multisim 11.0結(jié)合“項目教學(xué)法”可以提高大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，但是對于小部分成績相對差的學(xué)生效果不明顯。分析主要原因是因為工科學(xué)生在學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)方法等各方面的差異較大，本課題采用的教學(xué)方法對大部分學(xué)生都起到了良好的教學(xué)效果，但個別學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣較差、態(tài)度不端正，學(xué)習(xí)主動性低，僅靠教學(xué)方法的改變來解決這一問題是不現(xiàn)實的。

五、結(jié)論

將Multisim11.0與項目教學(xué)法結(jié)合應(yīng)用于“電路分析”課堂教學(xué)中，生動、直觀、方便、有趣，實現(xiàn)理論與實踐一體化。實踐結(jié)果表明：該方法能夠激發(fā)學(xué)生的積極性，加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解，優(yōu)化課堂教學(xué)效果的同時提高學(xué)生的動手能力，促進了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

該教學(xué)方法也有其不可避免的缺點：如對個別成績差的學(xué)生效果不明顯，另外，學(xué)生的精力全部集中于Multisim11.0軟件的操練和項目的設(shè)計上，運用完每個知識點后沒有太多時間去理解鞏固，某些知識雖然會用，但沒有從根本上徹底掌握。

改進措施：任何教學(xué)方法都不能離開教師的主導(dǎo)作用，運用該教學(xué)方法的同時，也要注意與其他教學(xué)方法有機結(jié)合，比如傳統(tǒng)的教學(xué)方法，主要知識點以教師講授為主，發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，同時保持學(xué)生的主體地位，給學(xué)生更多的想象空間，更長的認(rèn)知過程，使課堂教學(xué)氣氛更活躍。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）