MATLAB仿真在《電路》課程教學(xué)中的應(yīng)用

王河山 羅勇 李忠文 辛健斌

摘? 要：作為電工類專業(yè)的核心課程，《電路》的可視化教學(xué)與研究對電氣類專業(yè)學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)十分重要。《電路》課程由于其較強的理論性、抽象性和操作性，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)時不易直觀理解和貫通。本文將MATLAB仿真軟件引入到傳統(tǒng)的《電路》理論教學(xué)過程中，利用仿真軟件的可視化強、可操作性高等優(yōu)點，以達到激發(fā)學(xué)生興趣、提升學(xué)習(xí)效率、增強學(xué)生動手實踐能力的目的。

關(guān)鍵詞：電路 MATLAB 可視化 教學(xué)方法

【中圖分類號】G642.4? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻識別碼】A? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】

Application of MATLAB Simulation in the Teaching of <Circuit>

WANG Heshan? LUO Yong? LI Zhongwen? XIN Jianbin

（School of Electrical Engineering， China. Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan Province， 450001 China）

Abstract： As a core course for electrical majors， the visual teaching and research of <Circuits > course is very important for the follow-up study of electrical students. Due to its strong theory， abstract ion and operability， the course <Circuits> is not easy for students to understand intuitively and coherently while learning. In this paper， MATLAB simulation software is introduced into the traditional theoretical teaching process to take the advantages of strong visualization and operability of simulation software in order to stimulate the students' interest， enhance learning efficiency， and increase their hands-on practical ability.

Key Words： Circuit; MATLAB; Visualization; Teaching method

在電氣工程專業(yè)培養(yǎng)過程中，需要涉及具有強理論性、高實踐性和廣泛應(yīng)用性的課程，以達到使學(xué)生充分掌握專業(yè)技能的要求。其中，《電路》一直被認為是電力、電氣類專業(yè)的主要核心課程，是學(xué)生進行后續(xù)其他相關(guān)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)[1]。但是《電路》課程有著波形調(diào)整分析難、電路圖繪制要求細致和公式推導(dǎo)復(fù)雜等特點，要求學(xué)生具備相關(guān)的抽象思維能力和較強的動手能力，從而導(dǎo)致學(xué)生不能快速理解和掌握。在傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，課程的配套實驗設(shè)備要求較高，且在學(xué)生操作中容易因為失誤而對設(shè)備造成損壞，甚至有可能影響人身安全?；谝陨显颍姸嗫蒲性盒６家褜ATLAB仿真軟件引入到工科類教學(xué)中來[2]。

0引言

在《電路》課程傳統(tǒng)的教學(xué)活動中，教師通常利用板書和PPT的形式將課程所需基本理論知識傳授給學(xué)生，之后再通過課后安排的作業(yè)和課堂例題講解來讓學(xué)生更快掌握知識要點和計算方法，最后帶領(lǐng)學(xué)生進行課程知識要點總結(jié)和問題求解，以達到教學(xué)要求。但是在此過程中，教師需要將十分抽象的文字描述、復(fù)雜的電路圖設(shè)計和大量的計算公式通過理論和例題分析傳授給學(xué)生，這不僅僅要求學(xué)生時刻保持細心和專注，而且還必須和教師同步進行思考，學(xué)生通過畫圖或者聯(lián)想的方式構(gòu)筑虛擬的電路模型，才能初步掌握教師所講授的知識點。對于學(xué)習(xí)能力較弱的學(xué)生，則無法全面跟上課程的進度及理解教師課堂所講授的重點和核心，使得學(xué)生在理解工作原理和波形分析時較為吃力，概念混淆，逐漸降低學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，這樣會嚴重影響教學(xué)效率。出現(xiàn)這一個現(xiàn)象的重要原因是在《電路》課程的教學(xué)要求中，所涵蓋的理論部分和公式過于抽象，使得學(xué)生無法對其概念進行直接掌握。針對這一個問題，利用仿真輔助等手段，通過可視化教學(xué)，將教學(xué)過程中涉及到的抽象概念具體化，可使學(xué)生對理論概念有更快、更直觀的理解[3]。

在現(xiàn)在的科技世界中，大學(xué)生往往不再僅僅依賴于教師的傳統(tǒng)講授，而是更喜歡通過使用計算機系統(tǒng)和智能終端技術(shù)等方式來學(xué)習(xí)和驗證抽象課程中的理論知識。教師可以利用學(xué)生對計算機感興趣的這一特點來促進學(xué)生學(xué)習(xí)，這樣也可以使得學(xué)生能夠?qū)φn堂上所講解的抽象知識和理論概念有著更深的理解。

MathWorks公司所開發(fā)的科學(xué)工程軟件——MATLAB是在課程教學(xué)中常用的可視化軟件，這款軟件提供了豐富的電路元件模型，并將各個子功能封裝成單獨的模塊，學(xué)生只需要簡單的學(xué)習(xí)便可以掌握和建立電路模型，十分易于操作。其中，Simscape、Power System Block、SimPower Systems等電力系統(tǒng)仿真模塊和工具箱對于電路教學(xué)仿真實驗有著學(xué)習(xí)簡單、建模方便、動態(tài)顯示仿真波形、結(jié)果驗證分析等特點。通過MATLAB仿真軟件，教師可以安排學(xué)生自主完成簡單的電路設(shè)計和建模仿真。通過將MATLAB仿真軟件同傳統(tǒng)教學(xué)方式相結(jié)合，讓學(xué)生自主去設(shè)計開發(fā)電路仿真模型，并對結(jié)果進行分析和預(yù)測，有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動性[4]。

1 MATLAB仿真在教學(xué)中的應(yīng)用

《電路》課程中涉及到許多章節(jié)和基礎(chǔ)理論知識，為了展示MATLAB仿真軟件在教學(xué)設(shè)計中的優(yōu)勢，筆者選擇了戴維寧定理和線性電路分析，來設(shè)計教學(xué)過程。

1.1 基礎(chǔ)理論

在帶領(lǐng)學(xué)生進行軟件仿真之前，仍然需要圍繞基礎(chǔ)理論向?qū)W生介紹概念知識。盡管理論部分較為抽象，不易理解，但卻是教學(xué)過程的核心。教師在講授理論知識的過程中將其從抽象到具體、從復(fù)雜到形象化是幫助學(xué)生吸收消化知識點的關(guān)鍵。在課程進行過程中，對理論部分講解時，教師應(yīng)當在遵循教科書的情況下，結(jié)合具體實例將理論逐漸展開。從基礎(chǔ)公式到概念理解，尤其是公式的條件、適用性和輸出結(jié)果都需要清晰明了的講解[5， 6]。本文筆者選取了由邱關(guān)源編寫的第五版《電路》教材，利用教材知識對戴維寧定理和電路線性分析進行講解。

在教學(xué)安排上，教師在講解分析戴維寧定理時通?？梢苑譃橐韵?個主要步驟。（1）定律的前提和背景：對于任意一個含獨立電源的線性集總電路網(wǎng)絡(luò)，無論內(nèi)部構(gòu)造簡單還是復(fù)雜，如果能找到兩個引出端可以同外部電路連接，即為有源線性二端（一端口）網(wǎng)絡(luò)。這句話表達了幾個條件，即有源、線性，同時不限于網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。（2）在《電路》教材中對戴維寧定理有如下詳細描述：“對于一個含有獨立短語、線性電阻和受控源的端口，可以用一個電壓源和電阻的組合在外電路中等效代換，此時，電壓源的激勵電壓等于外電路兩端端口的開路電壓，電阻則等于端口內(nèi)電源歸零后的輸入電阻。”（3）定理的結(jié)論：任一等效電源加一個電阻可用以代替有源二端網(wǎng)絡(luò)。

同理，教師在講授基礎(chǔ)的知識定理后，便可帶領(lǐng)學(xué)生進行線性電路分析，以加深學(xué)生對電路基礎(chǔ)知識理解能力和掌握能力。教師在帶領(lǐng)學(xué)生進行電路分析時，應(yīng)該分為以下3個部分進行解析。（1）確定基本分析方法：先進行電路分析，確定采用支路電流法或節(jié)點電位法。（2）確定基本定理：要引導(dǎo)學(xué)生對電路進行分析后是采用哪種定理，包括但不限于疊加定理、戴維寧或諾頓定理、基爾霍夫定律等。（3）列出公式：引導(dǎo)學(xué)生利用電路知識進行數(shù)學(xué)建模，建立電流方程。

1.2 利用MATLAB仿真軟件驗證

教師首先按照教學(xué)思路向?qū)W生講授基本的電路定律，然后帶領(lǐng)學(xué)生運用所學(xué)定理和基礎(chǔ)知識對電路進行分析。確定分析流程后，通過利用MATLAB軟件的可視化模塊，以驗證所舉例的戴維寧定理和電路分析過程。通過引導(dǎo)學(xué)生可視化模塊搭建電路模型，可以使得學(xué)生對定律和電路分析過程有著直觀的感性理解。

1.2.1戴維寧定理的驗證

圖1展示了原始的電路，其中，干路電流和端電壓數(shù)值由輸出模塊的值表示。圖2展示了教師利用戴維寧定理等效后的電路仿真以及輸出。

在圖1中，選定電壓源（Controlled Voltage Source）和常數(shù)模塊（Constant）為電壓模塊，給定電壓為4V;電流源（Controlled Current Source）和常數(shù)模塊（Constant）為電流模塊，給定電流為3A。通過在Series RLC Branch 模塊中引入電阻，設(shè)定電阻 和 等于2Ω， 等于4Ω。為了測量電流和電壓，引入電流測量模塊（Current Measurement）和電壓測量模塊（Voltage Measurement），同時利用顯示模塊（Display）來顯示具體的電流和電壓值以驗證戴維寧定律等效后的電路。圖2中所采用的模塊和圖1相同，其中電阻 為1Ω， 阻值等于R3。

通過對比觀察圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，圖1中的帶有電源的線性二端網(wǎng)絡(luò)可以等效為圖2中電源和電阻的組合，且外電路部分并不發(fā)生改變。圖1中電流電壓測量模塊同圖2中的電流電壓測量模塊值相同，進一步驗證了戴維寧定理的有效性。至此，采用MATLAB可視化模塊來驗證戴維寧定理，過程直接簡單，較為直接的驗證所學(xué)定律。

1.2.2電路分析

為了進一步顯示MATLAB可視化軟件在電路分析中的優(yōu)勢，教師首先通過電路圖舉例和公式分析對給定電路進行分析，之后利用MATLAB可視化軟件建模，引導(dǎo)學(xué)生對計算公式進行驗證，以達到讓學(xué)生簡單直觀學(xué)習(xí)的目的。

對于圖3給定電路，已知 =4 ， =4 ， =4 ， =2 ，電流源 =2A，對于圖中受控電流源 和受控電壓源 ， =0.5， =4，要求得出電流 和電流

教師首先利用講授電路知識進行數(shù)學(xué)建模。由圖3可知，以a、b兩個節(jié)點作為研究對象，設(shè)定對應(yīng)的電壓為? 和 ，根據(jù)基爾霍夫電流方程（KCL）可以列出如下方程：

最終可以計算得到 =6V， =2V; =1A。利用數(shù)學(xué)公式建模的方法有利于學(xué)生復(fù)習(xí)所學(xué)知識，提升思考能力，但是相對來說較為復(fù)雜。因此，教師通過所給電路圖搭建MATLAB仿真模型如圖4所示。

在進行MATLAB可視化仿真時，需要考慮的是對受控電流源和電壓源的設(shè)計，通過設(shè)定放大增益（Gain）模塊，可以實現(xiàn)對本節(jié)例子中的參數(shù)仿真。通過分析圖4，可以看出，利用電流測量模塊得到的值同利用數(shù)學(xué)建模得到的值相同，證明了搭建模型的有效性。

通過MATLAB仿真軟件的可視化模塊來驗證戴維寧定律和進行電路分析，能夠?qū)⑤^為復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模過程變得直觀簡單，同時能結(jié)合教師講解的分析過程，印證結(jié)果，提升學(xué)生興趣和實踐能力。

2結(jié)語

本文筆者以《電路》課程教材中的戴維寧定律和一個電路分析過程為例，在《電路》的課程教學(xué)中直觀地展示了MATLAB仿真軟件的課程應(yīng)用。通過將MATLAB軟件引入到傳統(tǒng)的教學(xué)中來，可以有效地提升學(xué)生的動手能力和思考能力，引導(dǎo)學(xué)生自主的克服學(xué)習(xí)過程中的難點。在實驗教學(xué)中引入仿真軟件，可以規(guī)避由于學(xué)生不熟悉電路搭建而造成的實驗設(shè)備損失和安全問題。基于MATLAB可視化仿真軟件來講解電路知識，也能夠加強同學(xué)生的互動，并及時對學(xué)生問題及進行驗證與答復(fù)。

參考文獻

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