基于虛擬仿真的驗(yàn)證性電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

藺超文，汪菊

摘 要：分析了Multisim軟件的特點(diǎn)以及在驗(yàn)證性電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，基于Multisim軟件對(duì)基爾霍夫定律的驗(yàn)證設(shè)計(jì)了3D實(shí)驗(yàn)電路和不同層次的電路仿真實(shí)驗(yàn)；實(shí)踐證明，虛擬軟件的引入解決了實(shí)物實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、難以擴(kuò)展的問(wèn)題，有效提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；Multisim；虛擬仿真

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）21-0107-03

Abstract： In this paper， the characteristics of Multisim software and the advantages of application in the teaching of verifying circuit experiment are analyzed. Based on Multisim， the 3D experimental circuit and circuit simulation experiment of different levels are designed to validate the Kirchhoff Law. The introduction of virtual software effectively solves the problem that the content of experiment is single and difficult to expand. It can effectively improve students' motivation on experiment and their engineering practice ability.

Keywords： verifying experiment； Multisim； virtual simulation

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是電路原理教學(xué)中最為常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)類型，通常在實(shí)驗(yàn)箱上按照固定的模式進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為單一、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難以擴(kuò)展、實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化、故障率高。教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生常常機(jī)械的完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，易產(chǎn)生消極的實(shí)驗(yàn)情緒，不利于學(xué)生創(chuàng)造性思維與工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的快速發(fā)展，電路虛擬仿真軟件的功能日趨完備，為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果，將虛擬仿真技術(shù)引入到常規(guī)實(shí)驗(yàn)之中，把抽象的電路原理驗(yàn)證過(guò)程簡(jiǎn)單化、系統(tǒng)化、形象化，可以更好的激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)興趣與探索意識(shí)，幫助學(xué)生更好的理解理論知識(shí)，掌握實(shí)驗(yàn)技能。

美國(guó)NI公司推出的Multisim電路仿真軟件作為一款優(yōu)秀的EDA工具，因其操作簡(jiǎn)單、互動(dòng)性好、元器件庫(kù)齊全、電路仿真分析能力強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，已成為眾多專業(yè)電路設(shè)計(jì)工程師的首選工具。它不僅能夠進(jìn)行數(shù)字與模擬電路設(shè)計(jì)，而且可以完成單片機(jī)、射頻電路、甚至PCB板的繪制[1-3]。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中引入Multisim軟件，對(duì)提高學(xué)生實(shí)踐能力，幫助教師更好的組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有較大的意義。

一、Mulitsim在驗(yàn)證性電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

Multisim仿真軟件為用戶提供了數(shù)千種各類元器件，除了一些基本的常用元器件外，軟件還提供了眾多主流器件廠家的產(chǎn)品模型，同時(shí)用戶可以自己新建或擴(kuò)充已有的元器件庫(kù)。軟件提供的測(cè)試工具和虛擬儀器非常豐富，這些儀器的操作方法和操作界面與實(shí)際儀器設(shè)備基本相同，用起來(lái)更加真實(shí)，可以直接通過(guò)儀器觀察電路的運(yùn)行狀態(tài)。學(xué)生可以靈活利用這些資源，在軟件上搭接各種功能電路、進(jìn)行仿真測(cè)試，排查電路故障，通過(guò)調(diào)節(jié)元器件參數(shù)，得出不同的仿真測(cè)試結(jié)果。虛擬仿真軟件的引入在一定程度上解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、設(shè)備老化等問(wèn)題，降低了實(shí)物實(shí)驗(yàn)中的設(shè)備損壞率[4]。

在Multisim進(jìn)行電路的構(gòu)建和修改、元件參數(shù)的設(shè)定、測(cè)量?jī)x器的連接與更換非常方便，這為驗(yàn)證性電路實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)實(shí)時(shí)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的方法，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中不再受到實(shí)物實(shí)驗(yàn)固定電路和固定元器件的限制，可以按照自己的疑問(wèn)、興趣愛(ài)好來(lái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，擺脫了傳統(tǒng)的以實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性受到了較好的激發(fā)，成為了實(shí)驗(yàn)課堂上的教學(xué)主體[5-7]。

較好的直觀認(rèn)識(shí)能促進(jìn)學(xué)生對(duì)抽象理論知識(shí)的理解。在驗(yàn)證性電路實(shí)驗(yàn)中充分利用Multisim軟件內(nèi)置的3D元器件庫(kù)，搭建與實(shí)物更為貼近的實(shí)驗(yàn)電路，變抽象為具體，可以有效增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電路組成的感知水平，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，軟件還提供了面包板設(shè)計(jì)功能，可以根據(jù)已經(jīng)建立好的電路模型，在三維面包板上合理擺放3D元器件，利用3D導(dǎo)線進(jìn)行元器件間電路的連接等實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，為學(xué)生提供了一個(gè)直觀形象的、便于工程訓(xùn)練的教學(xué)情境，既能幫助學(xué)生更深刻的理解電路的基本定律，又能使學(xué)生熟悉實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的綜合應(yīng)用與創(chuàng)新能力。

二、基于Multisim的基爾霍夫定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基爾霍夫定律的驗(yàn)證是電路理論實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)內(nèi)容，在Multisim仿真環(huán)境下，可以通過(guò)搭建3D電路模型、靈活改變電源類型、電路參數(shù)等方法，從多角度、多層次的實(shí)驗(yàn)探索過(guò)程加深學(xué)生對(duì)基本理論的理解。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先向?qū)W生展示具有3D效果的電路，以引起學(xué)生的好奇心，增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的投入度。采用Multisim元件庫(kù)中的3D_VIRTRAL元件構(gòu)建的電路如圖1所示，電阻元件為3D虛擬模型，能夠進(jìn)行電路的直接連接和仿真運(yùn)行。

驗(yàn)證基爾霍夫電流定律時(shí)，可以通過(guò)電源的切換和測(cè)量節(jié)點(diǎn)的改變等方法從多角度為學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2所示為采用兩個(gè)不同直流電源供電的測(cè)量電路[8]，與節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)D所連接的支路上各放置了3個(gè)測(cè)量探針，可以實(shí)時(shí)顯示該支路的電流變化情況。分別按動(dòng)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)S1與S2，可以使電路切換成三種工作狀態(tài)，即E1與E2同時(shí)工作、E1單獨(dú)工作、E2單獨(dú)工作，所測(cè)電流參數(shù)如表1所示。學(xué)生通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，可以獲得以下結(jié)果：對(duì)于節(jié)點(diǎn)A，流出電流I3等于流入電流I1與I2之和；對(duì)于節(jié)點(diǎn)D，流入電流I4、I5、I6的代數(shù)和為零。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，部分同學(xué)提出了在交流供電情況下如何驗(yàn)證基爾霍夫定律。由于交流電源供電，電路參數(shù)變化較快，可建立圖3所示電路進(jìn)行驗(yàn)證。電源E1改成了電壓有效值為10V，頻率為50Hz的正弦交流電，電源E2保持15V直流電壓源，電流測(cè)量采用了電流探針，設(shè)置為1V/mA，電流探針輸出接入到四路虛擬示波器，在E1、E2同時(shí)工作狀態(tài)下的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。改變示波器時(shí)間光標(biāo)T1與T2的位置，能夠得到I1（Channel A）、I2（Channel B）、I3（Channel C）在任意時(shí)刻的數(shù)值，分析數(shù)據(jù)關(guān)系可知I3=I1+I2。在此基礎(chǔ)上，改變雙刀雙擲開(kāi)關(guān)S1和S2的狀態(tài)、或?qū)2也改為交流電源，可使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)一步擴(kuò)展。

利用Multisim軟件提供的電路分析工具可以從更深層次上對(duì)基爾霍夫電流定律進(jìn)行驗(yàn)證，如圖5所示為電路的參數(shù)掃描（Parameter sweep）分析設(shè)置界面，選擇電阻R1作為掃描對(duì)象，初始值為200？贅，終止值為2k？贅，電阻線性遞增值為200？贅，在“Out”選項(xiàng)頁(yè)中設(shè)置I（R1）、I（R2）、I（R3）作為輸出變量，直流工作點(diǎn)（DC Operating Point）仿真結(jié)果如圖6和表2所示。學(xué)生通過(guò)數(shù)據(jù)分析，同樣驗(yàn)證了基爾霍夫電流定律。

基于虛擬仿真的基爾霍夫定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)引領(lǐng)學(xué)生從抽象到具體、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，逐步深入到實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生產(chǎn)生的新想法和疑問(wèn)能夠及時(shí)的通過(guò)修改實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行驗(yàn)證。在此實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，教師演變成了實(shí)驗(yàn)課堂的引導(dǎo)者，學(xué)生則真正成為實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)者，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用得到了真正發(fā)揮。

三、結(jié)束語(yǔ)

Multisim軟件具有好的可操作性、數(shù)據(jù)開(kāi)放性和強(qiáng)大的功能，非常適合于驗(yàn)證性電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。本文基于Multisim軟件對(duì)基爾霍夫定律的驗(yàn)證設(shè)計(jì)了不同層次的電路仿真實(shí)驗(yàn)，突破了實(shí)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的限制，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程更符合學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程與思維習(xí)慣；而基于3D的實(shí)驗(yàn)電路則增加了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的感性認(rèn)識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與興趣，進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)基本理論的理解和掌握。通過(guò)實(shí)驗(yàn)電路的搭建、修改、調(diào)試與仿真過(guò)程，較好培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，有效提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

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