虛擬現實教學法在《電工學》課程中的應用

蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院 余 萍

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虛擬現實教學法在《電工學》課程中的應用

蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院 余 萍

【摘要】針對電工學教學中存在的問題，從改革教學方法和提高學生對知識的理解、分析能力以及學習參與度、興趣的角度出發(fā)，本文應用MULTISIM軟件完成2個虛擬實驗仿真，并對教學設計、實驗過程及實驗結果進行了詳細分析。通過教學實踐驗證，應用虛擬仿真技術于電工電子課堂教學中，使得教學過程更形象、生動、直觀，學生參與度得到有效提高，教學效果更好。

【關鍵詞】虛擬現實教學法；電工學；MULTISIM；教學實踐

電工學是針對高等學校非電類工科專業(yè)開設的一門專業(yè)基礎必修課，具有綜合性強，學時短，內容多、抽象難以理解、理論方法多且不容易記憶等特點[1,2]。因此，學生普遍覺得難學、難懂，缺乏學習興趣和熱情，缺乏自主思考、自主探索的能力，習慣于被動接受、習慣于對知識點結論的掌握而忽略對結論得出過程的探討，從而導致對內容的理解不到位，思路不清晰，教學效果不理想的情況。將MULTISIM仿真軟件應用于電工學教學中，將使得相關概念及定理的呈現更直觀、生動、便于理解和掌握，并可通過仿真實驗的設計和實現以及對實驗結果的分析，極大的提高了學生的參與度，增強學生的學習自信心，極大地活躍了課堂氣氛，使教學效果得到大幅度提升[3]。

本文主要從兩個教學實例的設計與實施來闡述虛擬仿真技術在《電工學》教學過程中的應用及其價值。

1　MULTISIM在基爾霍夫電流定律教學中的應用

基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律（KVL），是反映電路中各部分電流、電壓間的相互約束關系的基本定律。它跟歐姆定律一起，被稱為“電路分析的兩條腿”，對電路其他部分知識的學習均有極為重要的支撐作用。KCL的基本內容是：在任一瞬間，對電路中的任一結點，流入的電流之和恒等于流出的電流之和[4]。

1.1教學設計

1.1.1設計思路

在以往的教學中，此部分內容的講授通常由靜態(tài)的電路圖作為呈現，借助于電流流向的符號及數學公式直接給出結論，而利用MULTISIM軟件就可在課堂上實現實時的電路仿真演示，引導學生自己完成對定理結論的推導，使對內容的展示更生動，內容的理解更透徹。

1.1.2教學步驟

教學過程中，首先需要在仿真軟件中畫出電路圖；分析電路結構，說明元件的作用；然后運行仿真，并分析仿真數據，必要時變換電路參數，重新仿真以得到更多的仿真數據；最后引導學生對實驗數據進行分析，通過自主思考得出結論。

1.2仿真實驗的運行和分析

利用Multisim仿真軟件，創(chuàng)建圖1所示基爾霍夫電流定律的仿真電路，該電路含有兩個結點三條支路，每條支路上放置直流電流表用于測試支路電流I1，I2，I3；左側支路中串有可調電阻R1，其他元件和參數如圖所示。調節(jié)可調電阻R1的阻值，在阻值分別為2Ω、4Ω、6Ω、8Ω、10Ω五種情況下，分別觀察三個電流表讀數，結果如表1所示。

表1　仿真實驗數據

引導學生觀察、分析實驗結果，很容易發(fā)現：

I1+I2=I3

繼續(xù)分析電壓電流方向發(fā)現對上結點而言，I1和I2為流入結點的電流，I3為流出結點的電流，從而讓學生自主推導出基爾霍夫電流定律（KCL）的內容，即：在任一瞬間，對電路中的任一結點，流入的電流之和恒等于流出的電流之和。

圖1　仿真電路及仿真結果

但是，細心的同學可能會發(fā)現，表1結果中，當R1阻值等于6Ω時，I1和I2相加之和與I3數值有微小差距，這是為什么呢？原因很簡單，由于軟件中的所有儀器元件等，都是按照虛擬現實的方式進行連接，仿真時就會受到儀器元件的內阻等原因影響，而使實際結果與理論結果有細微差別，但這都是在工程誤差允許范圍內的。因此，在實物實驗中，如此細微的差距不會影響定理內容的正確性。

1.3教學效果分析

不難看出，將MULTISIM軟件的仿真技術引入到《電工學》課程內容的教學中，能夠使結論的得出更自然流暢，學生的參與度及對內容的理解掌握程度將得到顯著提高。

2　MULTISIM在電路暫態(tài)教學中的應用

電路的暫態(tài)過程是電路舊穩(wěn)態(tài)到新穩(wěn)態(tài)中間的過渡過程，它是由于電路中儲能元件能量的轉換不能瞬間完成而造成的電路現象[4]，可以分為零輸入響應、零狀態(tài)響應和全響應對暫態(tài)進行分析。

2.1教學設計

2.1.1設計思路

這一教學內容很抽象，課堂講授時是以電路的穩(wěn)態(tài)分析作為承接，因此學生通常對“電路暫態(tài)”這一新的電路狀態(tài)理解不透，對t=0-、t=0+、t=∞三個時刻及該時刻電路狀態(tài)的理解和把握不足，原因是對元件的充放電過程、換路等概念沒有透徹理解所造成的，將MULTISIM仿真實驗加入此部分內容的講解將更有利于對內容的掌握。

2.1.2教學步驟

教學過程與1.1.2小節(jié)基本一致，但是本節(jié)內容則是通過改變電路結構來得到不同的結果，而不是改變電路參數。

得到仿真結果后，應引導學生通過自主思考，理解“換路”、“電容充放電”過程等概念，進而理解暫態(tài)過程教學內容的全部知識點，包括零輸入響應、零狀態(tài)響應和全響應等。

2.2仿真實驗的運行與分析

利用MULTISIM仿真軟件，創(chuàng)建如圖2所示RC仿真電路，并著重說明開關（J2）在不同位置時電路的結構特點。仿真時，先將開關打在1位置，調出示波器窗口，啟動仿真電路，發(fā)現示波器沒有電壓信號輸出，說明電容元件上沒有儲能，此時可認為電路處于舊的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2　RC電路仿真（J2處于位置1）

圖3　J2由位置1撥到位置2時的電路響應

圖4　J2由位置1撥到位置2后，再撥回位置1時的電路響應

此時，將開關撥到位置2，可以自然地引出“換路”這一概念，并強調“換路”的發(fā)生是觸發(fā)暫態(tài)的充分條件。啟動仿真電路，如圖3所示，引導學生觀察兩個問題：（1）電容元件上能量是增加還是減少？ （2）能量的增加是瞬間完成的嗎？然后，再將開關撥回到位置1，如圖4所示，引導學生再次思考前面兩個問題。顯然，圖4中顯示的是電容元件上的電壓是逐漸增加的，而圖5中當電路再次“換路”時，電容元件上的電壓又是逐漸減少的。結果表明，儲能元件上的能量轉換并不是瞬間完成的，而轉換的時間長短則跟電路的參數（即，時間常數τ=RC）有關，τ越大，轉換時間越長；τ越小，轉換時間越短。

2.3教學效果分析

將MULTISIM軟件引入電路暫態(tài)教學中，能夠使原本抽象難理解的內容變得直觀而生動，使學生對相關概念的理解更為透徹，學習電工學的自信心得到明顯提高。通過這樣直觀而生動的展示，使學生透徹理解充放電過程及暫態(tài)狀態(tài)的存在，區(qū)別t=0-、t=0+、t=∞三個時刻及該時刻電路狀態(tài)，從而自然地引出零狀態(tài)響應、零輸入響應以及全響應的概念。

3　結束語

本文通過2個MULTISIM仿真軟件與電工學教學內容有機結合的實例，說明了在課堂教學中加入仿真實驗能夠將抽象的電工學概念和原理直觀化、形象化，有利于突破難點、深化理解，能夠有效提高學生的課堂參與度和自信心，激發(fā)學生學習的積極性和學習興趣，從而實現教學效果的提高。我們將這樣的虛擬仿真教學方法應用于近幾個學期的《電工學》教學實踐，發(fā)現，非電類專業(yè)的學生對于這門電類基礎課的興趣明顯提高，課堂氣氛更為活躍，課堂參與度也有相應的提高，學生的成績得到明顯改善，教學效果明顯?？梢?，將MULTISIM軟件應用于電工學課堂教學中是深化教學改革，提高教學效果的有效手段，同時具有重要的實踐意義。

參考文獻

[1]孫向文,孫立功.Multisim在“電工學”課堂教學中的應用研究[J].中國電力教育,2014,11(4):73-74.

[2]蔣莉,趙宇艷.Multisim10在疊加定理教學中的應用[J].中國西部科技,2014,13(11):73-75.

[3]廖輝.仿真軟件在電工學中輔助教學探討[J].實驗技術與管理,2014,31(4):102-105.

[4]秦曾煌.《電工學》(上冊)—電工技術(第6版)[M].北京:高等教育出版社,2004.

余萍（1979—），女，甘肅蘭州人，碩士，講師，主要從事電路與系統(tǒng)、模式識別等方向的教學與研究工作。

作者簡介：

基金項目：甘肅省基礎研究創(chuàng)新群體項目（1506RJIA031）。