Multisim14.0軟件在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)《電路分析》課程教學(xué)中的應(yīng)用探析

胡潔

◆摘? 要：《電路分析》是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，對學(xué)生后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)核心課程的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。但《電路分析》課程理論性強(qiáng)，知識點多，學(xué)時短，學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，導(dǎo)致課堂教學(xué)效果不佳。為此，我們將Multisim14.0仿真軟件應(yīng)用到《電路分析》課程教學(xué)中，通過以戴維南定理為例進(jìn)行課程教學(xué)案例的設(shè)計結(jié)果表明，Multisim14.0仿真軟件可以將抽象的理論知識直觀化、具體化，激發(fā)學(xué)生的探索欲，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，從而提高教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率。

◆關(guān)鍵詞：Multisim14.0;仿真;電路分析;戴維南定理

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)是綜合了電子科學(xué)與技術(shù)、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信工程、控制以及軟件工程等多個學(xué)科的信息類專業(yè)學(xué)科。從2011年全國首批31所高校獲準(zhǔn)開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)至今，設(shè)立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的高職院校日益增多，為面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)測試與實施、單片機(jī)軟件開發(fā)等崗位群培養(yǎng)了大量高素質(zhì)技術(shù)技能型人才?！峨娐贩治觥肥俏锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，后續(xù)與《電子技術(shù)》《嵌入式系統(tǒng)》等課程相結(jié)合融入整個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用知識體系內(nèi)，是學(xué)生掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟硬件實施和測試必備的理論與應(yīng)用知識。但《電路分析》課程知識點多，理論性強(qiáng)，涉及大量繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，電路分析方法靈活多樣又彼此關(guān)聯(lián)。這就要求學(xué)生不僅具有識讀電路圖并熟練運用常見電子儀器儀表的能力，還需要有一定的分析計算電路的能力。該課程的學(xué)習(xí)效果對學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)核心課程的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。

一、高職物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用專業(yè)《電路分析》課程教學(xué)現(xiàn)狀與問題

《電路分析》這門課程主要特點如下：①涵蓋知識點多，不僅包含了電路的基本概念與定理、直流電路的分析與應(yīng)用，還包括了一階線性電路、變壓器的結(jié)構(gòu)與特性、三相交流電路以及正弦交流穩(wěn)態(tài)電路的分析與應(yīng)用等。②與高中物理知識聯(lián)系緊密。③概念較多，涉及的理論知識較為抽象。④計算量大，而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用專業(yè)的學(xué)生適應(yīng)了其它專業(yè)課程界面化操作的模式，對計算的普遍不敢興趣。

目前，大部分高職院?！峨娐贩治觥氛n程設(shè)置在大一上學(xué)期，教學(xué)主要存在的問題如下：①傳統(tǒng)教學(xué)模式占主導(dǎo)。在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，主要強(qiáng)調(diào)怎樣去理解原理、推導(dǎo)公式、分析計算，這種強(qiáng)調(diào)知識而忽略體驗的教學(xué)過程，普遍導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、教學(xué)效果欠佳。②課時不充足。目前該門課程的教學(xué)主要以理論課程為主，總課時僅24個課時，課時有限而所需掌握的理論知識點多，教學(xué)難度大。③學(xué)生基礎(chǔ)差異化明顯。高職物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)招生基本都為文理兼招的模式，使得大量的文科生也進(jìn)入到該專業(yè)學(xué)習(xí)，這部分學(xué)生的高中物理知識尤其是電路與磁路的知識相對薄弱。相比理科生，文科生學(xué)習(xí)《電路分析》課程難度相對較大。④實驗條件不滿足。高職院校往往實驗設(shè)施有限，要做到人人動手搭建電路，需配備合格的實驗管理人員，且依然存在觸電、漏電的安全風(fēng)險。

二、Multisim14.0仿真軟件簡介

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的基于Windows平臺的一款仿真工具，可以方便的對各種電子電路進(jìn)行設(shè)計、仿真和測試，電路分析功能強(qiáng)大。與其他同類型的仿真軟件相比具有以下優(yōu)點：①圖形界面直觀，操作方便。②具有豐富的元器件庫、信號源庫、儀器儀表庫，并且能夠提供多種強(qiáng)大的電路分析方法，不需要人工計算。③仿真過程沒有實際元器件和儀器儀表的損耗，成本低、效率高，而且仿真測試通過的電路，可以直接用于實際電路的搭建。④提供PCB設(shè)計軟件的文件接口，與Ultiboard14.0軟件無縫對接，方便轉(zhuǎn)移進(jìn)行PCB印制電路板設(shè)計。⑤與多種辦公軟件系統(tǒng)相兼容。

鑒于此，借助于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)成熟的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗室，將Multisim14.0仿真軟件應(yīng)用到《電路分析》的課程教學(xué)中，打破固有的授課方式，將“教師教，學(xué)生學(xué)”的單一的授課模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生探索，教師輔導(dǎo)”的新體驗，且不受時間、空間限制，極大的拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)思路，用實踐反證理論，提高教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率。

三、《電路分析》課程教學(xué)設(shè)計案例

《電路分析》課程在直流電路的分析與應(yīng)用部分介紹了多種電路的分析方法，包括支路電流法、網(wǎng)孔分析法、節(jié)點電壓法、疊加定理、戴維南定理、諾頓定理等。其中，戴維南定理是電路的等效變換中最重要的一種，可將任何復(fù)雜電路轉(zhuǎn)換為等效的雙端電路，在電路分析中占有重要地位。其內(nèi)容為：任何一個有源線性二端網(wǎng)絡(luò)，對其外部電路來說，都可以用一個電壓源與電阻串聯(lián)的電路等效代替。其中，電壓源的電壓等于有源線性二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓;電阻等于有源線性二端網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部所有獨立電源作用為零時（電壓源以短路線代替，電流源以開路代替）的等效電阻（也稱輸入電阻）。這里涉及的概念較多，很多同學(xué)感覺晦澀難懂，或者只會生搬硬套去做題，不能從根本上分析理解電路。

以戴維南定理的學(xué)習(xí)為例，我們借助Multisim14.0仿真軟件講解如何應(yīng)用戴維南定理求解圖1所示電路中通過R3的支路電流I3，以及R3兩端的電壓U3。

1.教師下發(fā)學(xué)習(xí)任務(wù)書

任務(wù)名稱：學(xué)習(xí)戴維南定理

操作步驟：

（1）在Multisim軟件窗口建立如圖1所示的電路，并標(biāo)清楚待求解支路的電流參考方向。

（2）建立如圖2所示測量電路，在電阻R3支路引入直流電流表和直流電壓表，注意儀表的極性要與參考方向一致。

（3）啟動Multisim軟件的仿真按鈕，仿真結(jié)果如圖3所示。在表1中記錄電阻R3支路電流I3及R3兩端的電壓U3。關(guān)閉仿真功能。

（4）新建電路，如圖4所示，并按圖示接好直流電壓表，啟動仿真功能，測得UAB=7V。

（5）新建電路，如圖5所示，并按圖示接好萬用表，選擇歐姆檔測量電阻。啟動仿真功能，測得A、B兩點間的等效電阻RAB=4.8Ω。

（6）新建電路，如圖6所示，將UAB和RAB串接在R3兩端，將直流電壓表和直流電流表按照圖示接入電路。再次啟動仿真功能，并將仿真結(jié)果記錄于表1中。

2.學(xué)生按照任務(wù)書操作并討論

首先，學(xué)生熟讀任務(wù)書，按照指令要求完成步驟（1）（2）（3）后，教師提問：該操作的目的是什么？學(xué)生動手操作后知道，該步驟是用實驗的方法直接測量待求支路電流和電壓，沒有用任何電路分析方法。

然后，按指令操作步驟（4）時，請同學(xué)說出圖4與圖2的區(qū)別。學(xué)生很快指出，待求支路電阻R3被移除。教師提示學(xué)生，這是將待求支路開路，移除待求支路，電路剩余部分可視為一個有源二端網(wǎng)絡(luò)，測量此時二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓UAB。此時還要注意引導(dǎo)學(xué)生對幾個名詞進(jìn)行理解和區(qū)分：二端網(wǎng)絡(luò)、無源二端網(wǎng)絡(luò)、有源二端網(wǎng)絡(luò)。

其次，按指令操作步驟（5），繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生觀察圖5與圖4的區(qū)別，學(xué)生發(fā)現(xiàn)此時有源二端網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，只有電阻，沒有電源。教師適時引導(dǎo)學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)，電壓源原位置被一根短路線代替。這是將電壓源置零，測該二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻RAB。若是電流源置零，則是以開路代替。

最后，操作步驟（6）時，引導(dǎo)學(xué)生觀察圖6與圖3的區(qū)別，學(xué)生發(fā)現(xiàn)原電路除待求支路之外的有源二端網(wǎng)絡(luò)部分全部被一個電壓源UAB和內(nèi)阻RAB代替。兩次仿真，在表中記錄測量結(jié)果。

3.仿真結(jié)果討論

對于記錄下的仿真結(jié)果，學(xué)生很清楚的可以發(fā)現(xiàn)，圖6和圖3兩種情況下測得的R3支路電路I3和R3兩端電壓U3完全相同，I3=1A，U3=2.2V。圖6可視為圖3的等效電路圖，從而引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：任何一個有源線性二端網(wǎng)絡(luò)，都可以用一個電壓源與電阻串聯(lián)的電路等效代替，這就是戴維南定理。

4.分析計算

《電路分析》課程教學(xué)重點還是在要求學(xué)生掌握電路的分析計算上，實驗或仿真只是在輔助學(xué)生理解電路分析的方法，將復(fù)雜的理論直觀化。因此，在學(xué)生了解了戴維南定理之后，還要引導(dǎo)學(xué)生如何去分析計算，圖1的計算步驟如下：

（1）將待求支路電阻移開，在A、B兩點間視為一個有源二端網(wǎng)絡(luò)，計算有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓UAB，可用基爾霍夫電壓定律求解。

（2）將有源二端網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部所有電源置零，作等效電路圖，計算二端網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的等效電阻RAB。

（3）作出有源二端網(wǎng)絡(luò)的等效電路圖，等效電路中電源電動勢E=UAB，電源內(nèi)阻r=RAB。然后在等效電路兩端接入待求支路電阻，用歐姆定律計算待求支路電流量和電壓量?？梢园l(fā)現(xiàn)，分析計算的結(jié)果與之前電路仿真結(jié)果一致。

分析計算過程結(jié)束后，請學(xué)生自行總結(jié)運用戴維南定理求解電路時的步驟，最后，教師點評修正。

四、結(jié)論

從戴維南定理的教學(xué)設(shè)計案例可見，Multisim14.0仿真軟件的應(yīng)用對《電路分析》課程教學(xué)起了事半功倍的作用。一方面，軟件可以直觀的方式將晦澀難懂的定理、定律用仿真圖形、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)結(jié)果，增強(qiáng)了學(xué)生對實操的體驗感，讓原本枯燥的課堂變得生動有趣。另一方面，軟件仿真的教學(xué)設(shè)計可打破固有課堂時間和空間的限制，僅需一臺電腦學(xué)生課后依然可以進(jìn)行電路的仿真與測試，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對知識的探索欲。

把Multisim14.0仿真軟件融入到《電路分析》課程的教學(xué)中，不僅在有限的學(xué)時內(nèi)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，而且提升了教師的專業(yè)技能，在教師主導(dǎo)、學(xué)生主體的教學(xué)模式下，逐步提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)具備扎實理論知識和嫻熟專業(yè)技能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用人才。

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