基于虛擬仿真技術(shù)的電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

謝麗萍　孝大宇　齊林

摘 要：針對《電路原理》課程教學(xué)過程中存在的理論性強(qiáng)、枯燥、缺乏直觀性、實(shí)驗(yàn)箱更新?lián)Q代慢、容易毀壞等實(shí)際教學(xué)問題，文章研究了應(yīng)用Multisim虛擬仿真技術(shù)建立電路原理課程實(shí)驗(yàn)仿真和實(shí)踐教學(xué)的方法，分析了虛擬仿真技術(shù)用于電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)原則及優(yōu)越性，采用Multisim電路仿真和基于面包板的電路硬件搭建的虛實(shí)結(jié)合教學(xué)方法提高了教學(xué)效果。以三相交流電路和微分電路虛擬仿真分析為實(shí)例，具體介紹了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方法和作用，表明虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法能低成本、簡便、快速地進(jìn)行電路原理實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了教學(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)了教學(xué)改革。

關(guān)鍵詞：Multisim；虛擬仿真；面包板；電路原理；教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）22-0067-03

一、引言

電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)多依賴電路實(shí)驗(yàn)箱的搭接，依照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書驗(yàn)證電路功能。學(xué)生可以自己動手連接電路，培養(yǎng)了動手能力。不足之處在于模塊化的實(shí)驗(yàn)箱中電路種類和數(shù)量有限、價格高、設(shè)備更新?lián)Q代慢、容易損壞。此外，電路實(shí)驗(yàn)箱中為連接好的電路模塊，學(xué)生僅需連接導(dǎo)線，自主發(fā)揮的空間有限，限制了學(xué)生的思維，不利于學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

為將抽象的電路原理分析形象化，筆者在電路原理實(shí)踐中引入電路仿真內(nèi)容，結(jié)合基于面包板的硬件搭建，將硬件搭建和仿真分析相結(jié)合，既增加了實(shí)驗(yàn)的靈活性，又激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)范圍，有利于學(xué)生更好地掌握電路原理課程內(nèi)容，同時降低了教學(xué)成本。

二、電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性

電路原理實(shí)驗(yàn)可以作為一種重要的實(shí)踐手段，用以檢驗(yàn)和驗(yàn)證電路原理理論教學(xué)內(nèi)容，加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解[1]。《電路原理》課程是一門需要很強(qiáng)的實(shí)踐支持的課程，電路原理實(shí)驗(yàn)作為《電路原理》課程必不可少的實(shí)踐性教學(xué)途徑，共同組成了整個電路原理相關(guān)課程教學(xué)體系。電路原理實(shí)驗(yàn)是教授學(xué)生掌握電路原理理論的重要手段，同樣也能有效地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。

多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，通過電路原理實(shí)驗(yàn)，不但可以加深廣大學(xué)生對電路原理理論的認(rèn)知，而且能夠使他們熟練地掌握并運(yùn)用電路原理基礎(chǔ)理論；可以訓(xùn)練學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，并應(yīng)用于課程實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和工作能力；可以發(fā)揮學(xué)生應(yīng)用電工電子儀器工具進(jìn)行電路焊接等操作技能，激發(fā)學(xué)生對電路的愛好和興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)及科研道路探索打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

三、Multisim虛擬仿真技術(shù)

Multisim虛擬仿真技術(shù)是一種以Windows操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，本身具備非常強(qiáng)大而又完備功能的電路仿真軟件[2]。應(yīng)用Multisim仿真軟件可以并行同步進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，即邊設(shè)計(jì)邊實(shí)驗(yàn)，因此能夠比較方便地修改調(diào)試。Multisim仿真軟件操作簡便，易于實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)和測試，在電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用Multisim仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)速度較快、應(yīng)用效率較高，因此能夠有效地開展電路原理設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

Multisim虛擬仿真技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要有以下幾個特點(diǎn)[3]：

（1）直觀圖形界面。Multisim電路仿真工作區(qū)可以形象地替代實(shí)際的電子實(shí)驗(yàn)工作臺，可直接將元器件和測試儀表拖放到屏幕上，再用導(dǎo)線并單擊鼠標(biāo)的方式將它們連接起來，實(shí)際操作物與虛擬仿真儀器操作面板相似，甚至相同。電路設(shè)計(jì)人員能夠方便地選擇儀器，測試電路特性或波形，實(shí)現(xiàn)對多種電路的分析。

（2）豐富的元件庫。Multisim虛擬仿真元件庫含有豐富的虛擬游離元件、集成電路，并且還含有豐富的實(shí)際物元件模型。電路設(shè)計(jì)人員除了能夠編輯上述的元件參數(shù)外，還可以應(yīng)用模型生成器及代碼模式自由地創(chuàng)造需要的元件。

（3）多種類的虛擬儀表。目前的Multisim能提供至少22種的虛擬儀器，并可動態(tài)交互顯示，它們的設(shè)置和使用與實(shí)際儀表相同。

（4）完善的仿真分析。當(dāng)前的Multisim虛擬仿真可進(jìn)行RF/SPICE/MCU/VHDL等仿真。

（5）特有的實(shí)虛結(jié)合。應(yīng)用Multisim虛擬仿真中教學(xué)實(shí)驗(yàn)室虛擬的儀表套件（即ELVIS），設(shè)計(jì)人員可以在NI ELVIS仿真平臺上搭建實(shí)物電路，再利用NI ELVIS儀表對實(shí)物電路進(jìn)行波形測試和性能指標(biāo)分析。

四、基于Multisim虛擬仿真的電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本目的是為學(xué)生提供廣泛的虛擬電子實(shí)驗(yàn)環(huán)境平臺，顯著降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。設(shè)計(jì)Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，要以學(xué)生為中心，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主導(dǎo)性，為學(xué)生提供優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境和簡單便捷的實(shí)驗(yàn)條件等[4]。

設(shè)計(jì)Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)遵循以下原則：

（1）應(yīng)具備科學(xué)性的電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和內(nèi)容。設(shè)計(jì)Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)的目的應(yīng)為電路原理教學(xué)服務(wù)，倡導(dǎo)提供科學(xué)教學(xué)內(nèi)容與靈活教學(xué)方法，通過Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握電路原理知識，培養(yǎng)他們分析問題及解決問題的能力，從而提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)動手能力、創(chuàng)新能力。

（2）低成本、簡便的教學(xué)模式。設(shè)計(jì)低成本、簡便的Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，突破傳統(tǒng)教學(xué)模式在經(jīng)費(fèi)、時間、場所等方面的限制，設(shè)計(jì)Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)，應(yīng)使學(xué)生深刻感受到Multisim圖形界面直觀、一目了然、操作簡便，能隨時隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（3）具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫功能。Multisim虛擬仿真具備完善而強(qiáng)大的多種數(shù)據(jù)庫功能，從而可以取代多種傳統(tǒng)電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠使學(xué)生獨(dú)立自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)和測試。

五、基于Multisim虛擬仿真的電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的電路原理實(shí)驗(yàn)相比，基于Multisim虛擬仿真的電路原理實(shí)驗(yàn)主要具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能夠克服物理故障等客觀因素對實(shí)驗(yàn)測量造成不精確的影響。在傳統(tǒng)的電路原理實(shí)驗(yàn)中，操作面板一般為實(shí)際物體。而基于Multisim虛擬仿真的電路原理實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真操作面板和實(shí)驗(yàn)儀器等，其測量準(zhǔn)確度比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相對較高。

（2）提高了實(shí)驗(yàn)速度及實(shí)驗(yàn)效率。學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中，只需通過電路調(diào)試，進(jìn)一步電路封裝，就完成了電路設(shè)計(jì)，有效節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時間，實(shí)現(xiàn)快捷性地開展電路設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。同時在Multisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，能夠直接打印實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和測試曲線等，通過打印電路原理圖、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及測試曲線，能夠使學(xué)生對測試結(jié)果的分析更加便利。

（3）節(jié)約教學(xué)實(shí)驗(yàn)室空間及成本。學(xué)生能在Multisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，仿真使用多種實(shí)驗(yàn)儀器及工具，便利地進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)。所以基于Multisim的虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)相比傳統(tǒng)電路原理實(shí)驗(yàn)，解決了綜合性實(shí)驗(yàn)方面的實(shí)驗(yàn)室空間大、實(shí)驗(yàn)儀器巨資配備、器材耗損、儀器折舊、實(shí)驗(yàn)室的日常管理及維護(hù)等方面的問題[5]。

六、基于Multisim虛擬仿真的電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用

在進(jìn)行Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，最主要的就是使學(xué)生利用Multisim虛擬仿真軟件進(jìn)行電路原理實(shí)驗(yàn)的仿真，應(yīng)充分考慮虛擬仿真的主要步驟，Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)過程如圖1所示。

1.三相交流電路仿真應(yīng)用

三相電路由于復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)連接，學(xué)生對這一章的理論分析往往難以徹底理解和掌握。本部分以三相交流電路虛擬仿真分析為實(shí)例，介紹Multisim虛擬仿真電路原理實(shí)驗(yàn)方法，以一種直觀的方式使學(xué)生掌握三相電路的理論。三相交流電路是由三相交流電源供電的電路。典型居民照明電路的虛擬仿真分析電路如圖2所示，在中線中設(shè)置一開關(guān)，用以模擬實(shí)際電路的中線斷開故障，從而研究三相四線制供電方式中性線的重要性，此外在負(fù)載處并聯(lián)一個電容，用以模擬不對稱三相負(fù)載情況。仿真數(shù)據(jù)如表1所示，可得出如下結(jié)論：星型對稱三相電路（S2開），中線無電流通過，因此使用中線與不使用中線效果相同，所以可以不加中線。在星形不對稱三相電路中（S2合），中線的作用是通過避免負(fù)載中中性點(diǎn)發(fā)生位移使各個不對稱負(fù)載分得電壓相等，若無此中線，負(fù)載中中性點(diǎn)電位就會發(fā)生位移，而中性點(diǎn)電位發(fā)生位移則會導(dǎo)致負(fù)載電壓不平衡，其中可能會有負(fù)載電壓超過電器的額定電壓（在極端情況下會接近380V），輕則燒毀電器，重則引起火災(zāi)等重大事故。在不對稱三相電路中，中線不可省略。

2.微分電路仿真應(yīng)用

通過仿真實(shí)驗(yàn)掌握基本微分電路的功能和結(jié)構(gòu)特征，以微分電路的Multisim仿真為例，介紹使用仿真分析掌握微分電路對輸入波形的變換作用。微分電路由RC構(gòu)成（如圖3），輸出信號從R上取得。使用Multisim仿真，示波器的通道接輸入信號，顯示輸入信號的波形（此圖中接地線采用空置形式）。示波器的B通道接在電阻R上，用以測量輸出電壓波形。輸入信號（周期1ms、幅度10V）經(jīng)過RC電路后，輸出信號為尖脈沖信號，通過仿真變化R、C的參數(shù)，可讓學(xué)生直觀并深刻地理解RC電路的基本結(jié)構(gòu)和功能。

微分電路的工作過程是：如RC的乘積，即時間常數(shù)很小，在t=0+即方波跳變時，電容器C被迅速充電，電阻兩端分壓降低，在輸入信號為0時，電容器C被迅速放電，電阻兩端電壓升高。電容器的充放電速度取決于時間常數(shù)（RC的乘積）。通過仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可自己操作調(diào)節(jié)，并隨時查看波形，通過實(shí)際觀測不同的RC參數(shù)時，電阻R兩端輸出電壓波形的不同變化，可以幫助學(xué)生理解和掌握微分電路的結(jié)構(gòu)和功能。進(jìn)一步結(jié)合基于面包板硬件電路的搭建，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)硬件結(jié)構(gòu)，測試實(shí)際電路與理論仿真分析的結(jié)果，這種仿真結(jié)合硬件實(shí)驗(yàn)既可以增強(qiáng)學(xué)生的理解，又鍛煉了學(xué)生的動手能力、拓展了研究思維。

七、結(jié)論

Multisim虛擬仿真技術(shù)結(jié)合基于面包板的硬件實(shí)現(xiàn)在電路原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，對降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本、加快教學(xué)設(shè)備更新速度、開拓學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)、提高學(xué)生對電路原理知識理解、培養(yǎng)學(xué)生對電路原理相關(guān)課程的學(xué)習(xí)興趣等方面有著諸多優(yōu)點(diǎn)，因此能夠有效地對高校電路原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)提供支持和指導(dǎo)，并且在其他電子與電路專業(yè)課的教學(xué)中也有著廣泛的應(yīng)用價值。

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