Multisim仿真軟件在電工電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究*

羅杰 單瀾 何群英

浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 浙江 杭州 311231

引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變[1]，社會(huì)對(duì)技術(shù)人才的要求已經(jīng)從專業(yè)型人才向復(fù)合型人才方向轉(zhuǎn)變。對(duì)于機(jī)械專業(yè)，已經(jīng)不單單要求學(xué)生掌握扎實(shí)的機(jī)械知識(shí)，同時(shí)要求學(xué)生具備一定的電工電子方面的知識(shí)[2]。因此，需要高職院校改革課程教學(xué)體系，培養(yǎng)同時(shí)具備機(jī)械和電工電子知識(shí)的高素質(zhì)技能人才。

1 電工電子技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀

為了提高學(xué)生電工電子方面的技能水平，高職院校開設(shè)了電工電子技術(shù)課程并設(shè)立了實(shí)訓(xùn)室。但是隨著高職擴(kuò)招導(dǎo)致學(xué)生人數(shù)激增，同時(shí)受限于資金和場地原因，實(shí)訓(xùn)室并不能滿足所有學(xué)生的實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)。同時(shí)，學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，實(shí)踐動(dòng)手能力較差，成績也普遍較差[3]，在完成電工電子實(shí)訓(xùn)任務(wù)時(shí)存在很大的安全隱患，這極大地制約了學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

出于現(xiàn)狀考慮，本課程決定引入Multisim仿真軟件，Multisim具備較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)，學(xué)生通過仿真軟件完成電路的搭建、仿真及實(shí)驗(yàn)，不僅保證了教學(xué)效果和安全性，同時(shí)提高了學(xué)生對(duì)電工電子元器件進(jìn)行操作、搭建及調(diào)試的能力。本文以直流電路的電功率仿真實(shí)驗(yàn)為例闡述Multisim仿真軟件在本課程中的具體教學(xué)實(shí)踐。

2 基于Multisim的仿真實(shí)驗(yàn)

Multisim是由美國國家儀器有限公司開發(fā)的用于仿真電路設(shè)計(jì)的軟件，它不僅支持電路原理圖的圖形輸入，同時(shí)提供各類電子元器件和儀器儀表，具有仿真能力強(qiáng)大、界面直觀等優(yōu)點(diǎn)[5]。

2.1 直流電路的電功率仿真簡介

在實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算電子元器件的電功率是一項(xiàng)基本任務(wù)，為了學(xué)生能夠更加直觀地感受電功率的計(jì)算方法和原理，本文設(shè)計(jì)了一種直流電路的電功率仿真實(shí)驗(yàn)[4]。該電路結(jié)構(gòu)簡單且含有常用電子元器件，主要有電流表、電壓表、負(fù)載燈泡和直流電源等。

2.2 測量燈泡的損耗功率仿真電路

2.2.1 設(shè)計(jì)電路。完整的燈泡的損耗功率仿真電路包含了以下電子元器件和儀器儀表：燈泡、電阻、直流電源、電流表、電壓表、功率表等。為了測量燈泡的損耗功率，需要將燈泡、電阻、直流電源和電流表串聯(lián)起來，同時(shí)需要將電壓表與燈泡并聯(lián)起來，電流表和電壓表分別用來測量電路中的電流和電壓的大小，最后根據(jù)損耗功率與電流和電壓的關(guān)系得到損耗功率的大小。

2.2.2 繪制仿真電路圖。利用Multisim仿真軟件提供的豐富的元器件庫與虛擬元器件，完成測量燈泡的損耗功率仿真電路的繪制，電路圖如圖1所示。其中A1為電流表，U1為電壓表，XWM1為功率表，R1的電阻值為1Ω，燈泡的額定電壓和額定功率分別為12V和25W，直流電源的電壓為12V。

圖1 直流電路的電功率仿真電路圖

2.2.3 仿真運(yùn)行。Multisim仿真軟件提供了強(qiáng)大的仿真功能，對(duì)測量燈泡的損耗功率仿真電路進(jìn)行仿真，得到的仿真結(jié)果如圖2所示。測得流經(jīng)該電路的電流大小為1.775A，燈泡兩端的電壓大小為10.225V，根據(jù)計(jì)算功率的公式得到燈泡的損耗功率為18.149W，與圖中功率表的讀數(shù)18.151W非常接近。經(jīng)分析，該誤差是由于電流和電壓進(jìn)行四舍五入導(dǎo)致的，因此驗(yàn)證仿真結(jié)果準(zhǔn)確。

圖2 仿真運(yùn)行結(jié)果

2.3 負(fù)載電阻獲得最大傳輸功率仿真電路

2.3.1 設(shè)計(jì)電路。為了對(duì)功率損耗有更加直觀的感受，設(shè)計(jì)了一個(gè)負(fù)載電阻獲得最大傳輸功率仿真電路，該電路圖如圖3所示。通過該電路，學(xué)生需要完成一項(xiàng)探究任務(wù)，探究負(fù)載電阻在什么條件下可以從電源處獲得最大功率，以及負(fù)載電阻與傳輸效率之間的關(guān)系。

圖3 負(fù)載電阻獲得最大傳輸功率仿真電路

2.3.2 仿真運(yùn)行。運(yùn)行該電路，觀察記錄XWM1和XWM2顯示的讀數(shù)，得到XWM1和XWM2的值分別為72mW和36mW，因此該電路的傳輸效率η為50%。

2.3.3 探究。為了探究負(fù)載電阻R2的電阻值與傳輸效率之間的關(guān)系，因此需要改變負(fù)載電阻R2的電阻值，記錄不同電阻值下負(fù)載電阻R2的損耗功率及該電路的傳輸效率，記錄結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：①當(dāng)負(fù)載電阻R2電阻值小于1000Ω時(shí)，負(fù)載電阻R2的損耗功率隨著電阻值的增大而增大；當(dāng)負(fù)載電阻R2電阻值大于1000Ω時(shí)，負(fù)載電阻R2的損耗功率隨著電阻值的增大而減小。因此只有當(dāng)負(fù)載電阻R2電阻值與內(nèi)阻R1相等時(shí)，負(fù)載電阻R2的損耗功率達(dá)到最大。②該電路的傳輸效率隨著負(fù)載電阻R2電阻值的增大而增大，因此如果想要提高電路的傳輸效率，應(yīng)當(dāng)提高負(fù)載電阻的電阻值或降低內(nèi)阻的電阻值。

表1 負(fù)載電阻R2的損耗功率及該電路的傳輸效率

3 Multisim仿真軟件的優(yōu)勢(shì)

3.1 課程內(nèi)容重構(gòu)

利用Multisim軟件強(qiáng)大的電路仿真功能，創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際生活有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力。對(duì)于本文所示的仿真電路，為了提高經(jīng)濟(jì)效益，往往需要提高電路的傳輸效率，在這個(gè)真實(shí)問題情境下，讓學(xué)生完成對(duì)問題的自主探究，在傳授知識(shí)的同時(shí)對(duì)實(shí)際應(yīng)用也有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

3.2 課堂教學(xué)方法改革

仿真教學(xué)不同于理論教學(xué)，以往電工電子技術(shù)課程常采用課堂理論教學(xué)的形式，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高且嚴(yán)重脫離實(shí)際。為了解決這個(gè)問題，本課程采用以學(xué)科的基本概念和原理為中心的項(xiàng)目式教學(xué)方式，學(xué)生在完成項(xiàng)目的同時(shí)，可以將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際生活中，起到融會(huì)貫通的作用。

3.3 評(píng)價(jià)方式改革

由于采用了項(xiàng)目式的學(xué)習(xí)方式，因此也需要對(duì)評(píng)價(jià)方式進(jìn)行相應(yīng)的改革。對(duì)于本課程而言，除了會(huì)使用理論知識(shí)解題以外，還要求學(xué)生能夠在仿真軟件中創(chuàng)建與實(shí)際問題相應(yīng)的電路圖來解決實(shí)際問題。因此，本課程的評(píng)價(jià)方式采用理論和仿真相結(jié)合的方式。老師需要對(duì)仿真的過程和結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，保證學(xué)生對(duì)整個(gè)項(xiàng)目有充分的理解。

4 Multisim仿真軟件在電工電子課程教學(xué)中的價(jià)值與意義

4.1 提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力

學(xué)生在掌握理論基礎(chǔ)知識(shí)的前提下，應(yīng)用Multisim仿真軟件將理論知識(shí)應(yīng)用于仿真環(huán)境中，可以進(jìn)一步鞏固理論知識(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)要求學(xué)生完成電路的搭建、仿真和測試工作，結(jié)合項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)，創(chuàng)建完整的電路圖，學(xué)生的專業(yè)核心技能和實(shí)踐動(dòng)手能力得到了很大的提高。

4.2 保證教學(xué)安全性和提高趣味性

電工電子技術(shù)涉及眾多電子元器件，需要學(xué)生牢固掌握相關(guān)知識(shí)，但是學(xué)生前期基礎(chǔ)薄弱，很容易在操作過程中發(fā)生安全事故。因此為了保證安全性，提供一種可靠的電工電子仿真平臺(tái)非常重要。同時(shí)通過豐富的項(xiàng)目化教學(xué)，學(xué)生既可以通過軟件建立電路原理圖，還可以通過仿真讓電路運(yùn)行起來，提高了學(xué)習(xí)的趣味性。

4.3 課程改革的成效

在電工電子技術(shù)課程中應(yīng)用Multisim仿真軟件后，避免了學(xué)生只會(huì)做枯燥乏味的理論題目，同時(shí)學(xué)生在課上還能搭建與實(shí)際環(huán)境一樣的電路模型，因此，學(xué)生在課上的學(xué)習(xí)積極性明顯提高，可以更加有助于知識(shí)的掌握。

5 結(jié)束語

綜上所述，基于Multisim仿真軟件的電工電子仿真教學(xué)，既保證了教學(xué)安全性，同時(shí)還培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，提高了教學(xué)趣味性。以項(xiàng)目化教學(xué)為載體，通過搭建仿真電路，實(shí)現(xiàn)知識(shí)與技能的雙向融合。在信息化時(shí)代背景下，計(jì)算機(jī)仿真軟件技術(shù)在電工電子課程教學(xué)中的應(yīng)用必將得到大力推廣。