Multisim在電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中的實(shí)踐研究

陸運(yùn)華

(洋浦經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)高級(jí)技工學(xué)校，海南洋浦，578101)

0 引言

隨著國(guó)家大力發(fā)展職業(yè)教育，將其提升為與普通教育并列的類型教育，在《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案（職教20條）》中提出了“三教”改革的任務(wù)。我們認(rèn)為在“三教”改革中，教師是根本，教材是基礎(chǔ)，教法是途徑，三者相輔相成形成了一個(gè)完整的閉環(huán)體系。通過“三教”改革使我們更加清晰“誰來教？教什么？如何教？”的問題。

就教法改革現(xiàn)狀和需求而言，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的教學(xué)方法忽視了學(xué)生的課堂主體地位，不僅很難激發(fā)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)興趣，而且也不利于挖掘?qū)W生的潛力。另一方面當(dāng)下企業(yè)對(duì)人才的各方面都提出了更高的要求，學(xué)生除了要掌握足夠的專業(yè)文化知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用技能以外還需要有一定的自主探究學(xué)習(xí)和創(chuàng)新創(chuàng)造能力。傳統(tǒng)課堂的“填鴨式”教育模式所培養(yǎng)出的學(xué)生往往缺乏自主探究學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力。鑒于此，諸如理虛實(shí)一體化教學(xué)法、情境教學(xué)法、項(xiàng)目教學(xué)法、案例教學(xué)法等一系列新的教學(xué)方法已經(jīng)在職業(yè)教育教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)運(yùn)而生，不僅極大地強(qiáng)化了師生課堂互動(dòng)，而且也增加了課堂教學(xué)的趣味性，這對(duì)于改善課堂生態(tài)和提高教學(xué)質(zhì)量的促進(jìn)作用非常明顯。因此，職業(yè)院校教師要遵循當(dāng)代學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律特點(diǎn)，把這些新的教學(xué)方法引入課堂教學(xué)中，克服傳統(tǒng)教學(xué)中的不足，改善課堂生態(tài)并提高教育教學(xué)效果。

據(jù)我們調(diào)查統(tǒng)計(jì)，目前職業(yè)學(xué)校電類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)普遍存在以下突出問題：一是實(shí)驗(yàn)室管理制度措施落后，眾多職業(yè)院校的實(shí)驗(yàn)室基本上采用封閉式管理，實(shí)驗(yàn)室僅在上課時(shí)間開放，學(xué)生不能自由進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，這樣既不利于學(xué)生動(dòng)手能力的提高，也不利于實(shí)驗(yàn)室功能價(jià)值的發(fā)揮；二是資金不足導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備及耗材投入不夠，致使職業(yè)院校的實(shí)驗(yàn)室只能照本宣科地開設(shè)常規(guī)的幾個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無法滿足學(xué)生的創(chuàng)新能力和個(gè)性化能力培養(yǎng)的需求，更有甚者，有的學(xué)校甚至連基本的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)都無法保質(zhì)保量開足開齊；三是實(shí)驗(yàn)手段和方法落后，由于投入不足導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后，多數(shù)設(shè)備年久失修處于癱瘓或半癱瘓狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)技術(shù)落后，跟不上專業(yè)發(fā)展的需要，實(shí)驗(yàn)僅限于幾個(gè)簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，甚至半數(shù)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)也無法開齊開足。造成的結(jié)果只能是從書本到書本，做幾個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)應(yīng)付教務(wù)的檢查了事，學(xué)生的自主探究學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力無法有效提高。

基于職業(yè)院校以上堪憂實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀，我們提出采用虛擬仿真軟件與理論和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的“理虛實(shí)一體化”教學(xué)方法來彌補(bǔ)現(xiàn)階段職業(yè)院校電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的不足。以期改善課堂生態(tài)，提高教育教學(xué)效果，為學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力及自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

1 虛擬電子電路實(shí)驗(yàn)室NI Multisim 14

Multisim 14是美國(guó)國(guó)家儀器(National Instrument)公司推出的一款以Windows為平臺(tái)的電子電路虛擬仿真軟件，其前身為20世紀(jì)80年代加大拿圖像交互技術(shù)公司Interactive Image Technologies公司的EWB電子工作平臺(tái)。其一經(jīng)推出就在模擬和數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證等工作領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。除此之外它在Labview虛擬儀器、單片機(jī)仿真技術(shù)等方面也是可圈可點(diǎn)的。

學(xué)生、教師甚至是工程師可以像使用其他Windows應(yīng)用程序一樣輕松地利用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真校驗(yàn)。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，并將其圖形化。從而讓使用者避開生澀難懂的SPICE語句即可快速的進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，專注于板級(jí)的電路設(shè)計(jì)和仿真，大大提高工作效率。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子技術(shù)教師可以輕松完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。

在Multisim 14中使用基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE而提煉的電子元器件、電子與電工儀器和儀表，實(shí)現(xiàn)了“符號(hào)即元器件”、“圖標(biāo)即儀器”。Multisim 14的元器件庫提供數(shù)千種參照元件生產(chǎn)廠家技術(shù)參數(shù)建模的電子電路元器件使得仿真實(shí)驗(yàn)更逼近實(shí)物電路的運(yùn)行效果。同時(shí)為了提高電子技術(shù)教學(xué)的形象性、逼真性，其元器件庫中還建模有3D元器件，能使仿真分析更加生動(dòng)、形象。軟件還允許使用者新建或擴(kuò)充已有的元器件庫，來更好地?cái)U(kuò)展我們的應(yīng)用范圍。

NI Multisim 14可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路，包括電工學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及微控制器和接口電路等。可以對(duì)被仿真的電路中的元器件設(shè)置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電故障等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。在進(jìn)行仿真的同時(shí)，軟件還可以存儲(chǔ)測(cè)試點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有元器件清單，以及存儲(chǔ)測(cè)試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等。

2 Multisim14在電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用案例分析

當(dāng)下大多數(shù)中職學(xué)校傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受制于經(jīng)費(fèi)限制，無法購置完備的儀器設(shè)備和充足的實(shí)驗(yàn)耗材，僅局限于幾個(gè)常規(guī)電路和職業(yè)技能等級(jí)認(rèn)定考綱覆蓋范圍的幾個(gè)電路實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)。這樣既不利于學(xué)生全面掌握電子知識(shí)，培養(yǎng)對(duì)神秘電子技術(shù)殿堂的興趣愛好，也不利于學(xué)生創(chuàng)新能力和終生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。同時(shí)對(duì)于一些極限實(shí)驗(yàn)和破壞性實(shí)驗(yàn)根本無法在大多數(shù)中職學(xué)校的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室里完成。而Multisim14卻能很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。接下來以電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)舉例說明Multisim 14仿真軟件在電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用。

從事電工基礎(chǔ)教學(xué)的老師大家都有一個(gè)共同的感悟，在正弦三相交流電源的講授時(shí)，面對(duì)三相正弦交流電源是由三個(gè)頻率相同、大小相等、相位互差120°的概念講述特別的蒼白無力，普通的實(shí)驗(yàn)室又無法完成直觀形象地測(cè)量三相電源波形的實(shí)驗(yàn)，使得我們的教學(xué)只能由教師先從講述三相發(fā)電機(jī)的構(gòu)造原理，然后在黑板上作圖呈現(xiàn)三相正弦交流電源的波形，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，課堂效率低；而且學(xué)生難以理解所教知識(shí)內(nèi)容。

圖1 對(duì)稱三相正弦交流電路仿真實(shí)驗(yàn)電路

如若采用Multisim14仿真軟件來輔助教學(xué)，借助Multisim14自帶的元件庫和儀表庫不僅能夠快速地構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)電路，而且能夠通過四蹤示波器以用戶喜好設(shè)定的不同顏色在示波器窗口中動(dòng)態(tài)直觀地呈現(xiàn)三相電源的波形，所有的操作跟實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作非常貼近，大大地提高了課堂教學(xué)效率和教學(xué)效果。

教師（或?qū)W生）只需在相應(yīng)的元件庫和儀器儀表庫中按圖1所示快速調(diào)取所需元器件和儀器儀表至Multisim14工作窗口，合理布局之后連接好仿真電路，設(shè)置好器件參數(shù)和示波器測(cè)量通道電纜的顏色即可運(yùn)行仿真電路。可通過雙擊示波器圖標(biāo)打開示波器面板即可直接觀測(cè)三相正弦交流電源的波形和三相正弦交流電的各項(xiàng)參數(shù)（周期、相位、幅度等），如圖2所示。

圖2 仿真所測(cè)的三相正弦交流電的波形和各項(xiàng)參數(shù)

示波器的操作與真實(shí)儀器的操作非常接近，可以用鼠標(biāo)非常方便地調(diào)節(jié)示波器的時(shí)基倍率和幅值倍率使示波器顯示的波形適合實(shí)驗(yàn)者觀測(cè)即可，同時(shí)還可以通過移動(dòng)兩個(gè)時(shí)間標(biāo)尺來測(cè)量各相交流電的參數(shù)及兩相交流電之間的相位差。同時(shí)該仿真軟件還能像電影慢鏡頭一樣呈現(xiàn)三個(gè)負(fù)載X1～X3按正弦交流電相序輪流交替導(dǎo)通，且各相負(fù)載亮度隨正弦波幅值變化而變化的動(dòng)態(tài)效果。非常的形象逼真，這也是常規(guī)實(shí)驗(yàn)中無法實(shí)現(xiàn)的。

從圖1仿真實(shí)驗(yàn)中我們通過交流電流表測(cè)量到了中性線的電流示值為零，這也符合對(duì)稱三相交流電路中性線電流的規(guī)律。

我們?cè)趫D1電路的基礎(chǔ)上稍作修改，如圖3所示接入兩只瓦特表，即可直觀快速測(cè)得該三相電源電路電源所提供（或負(fù)載所消耗）的平均功率為兩瓦特表的測(cè)量值之和300W，這符合兩瓦計(jì)法測(cè)量三相正弦交流電路的功率方法，也為后續(xù)的工程實(shí)踐提供接線操作方法參考，從而起到“理→虛→實(shí)一體化”的教學(xué)效果。

圖3 采用兩瓦計(jì)法測(cè)量三相電源的功率

非常值得一提的是Multisim還自帶了一個(gè)電路設(shè)計(jì)向?qū)Чδ埽瑢?shí)驗(yàn)者只需逐步點(diǎn)擊級(jí)聯(lián)菜單Tools→Circuit wizards 下的 555 timer wizard（555 時(shí)基向?qū)В?、Filter wizard（濾波器向?qū)В?、Opamp wizard（運(yùn)算放大器向?qū)ВE BJT amplifier wizard（共射極放大電路向?qū)В?，按著向?qū)Р襟E設(shè)置用戶所需參數(shù)即可快速生成以上各類經(jīng)典應(yīng)用電路，供仿真設(shè)計(jì)分析之用。

下面我們以生成一個(gè)共射極放大電路為例來具體說明，以期起到舉一反三、拋磚引玉之用。

實(shí)驗(yàn)者只需按圖4所示步驟操作，即可彈出如圖5所示共發(fā)射極放大電路設(shè)置向?qū)?duì)話框。

圖5 共發(fā)射極放大電路設(shè)置向?qū)?/p>

實(shí)驗(yàn)者根據(jù)需要在各相應(yīng)功能區(qū)域合理修改輸入各項(xiàng)參數(shù)之后，點(diǎn)擊“Verfy”按鈕之后會(huì)在如圖6所示的Amplifier characteristics區(qū)域計(jì)算出對(duì)應(yīng)放大電路的最小電壓增益、最小電流增益和最大電壓增益等參數(shù)。

圖6 放大參數(shù)欄

如果實(shí)驗(yàn)者接受上述電路參數(shù)，點(diǎn)擊“Build circuit”按鈕，即可生成電路附著在光標(biāo)上，移至電路工作窗口的適當(dāng)區(qū)域點(diǎn)擊左鍵即可完成電路放置。然后從右邊儀器儀表欄中調(diào)取雙蹤示波器至電路工作窗口適當(dāng)位置，并將連接至電路的輸入端和輸出端的A、B通道輸入電纜修改為藍(lán)色和紅色（導(dǎo)線上單擊右鍵，在彈出菜單中左鍵單擊“Segment color”，在隨后彈出顏色標(biāo)簽中選取相應(yīng)顏色即可），雙擊打開示波器面板，合理設(shè)置水平和垂直顯示倍率之后即可測(cè)量該共發(fā)射極放大電路的輸入/輸出波形參數(shù)如圖7所示。

圖7 共射極放大電路向?qū)呻娐芳皡?shù)測(cè)量

從以上操作可以看出實(shí)驗(yàn)者若能合理利用電路向?qū)Чぞ?，即可事半功倍地生成所需要的高質(zhì)量經(jīng)典電路并仿真測(cè)試，從測(cè)量結(jié)果可以看出電路的運(yùn)行效果與我們?cè)谙驅(qū)Ю镌O(shè)置的預(yù)期參數(shù)高度吻合，可謂是心想事成。

3 結(jié)束語

通過上述實(shí)踐案例不難看出，NI Multisim 14具有易學(xué)易用，便于電子信息、通信工程、自動(dòng)化、電氣控制類專業(yè)學(xué)生自學(xué)；便于開展綜合性的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、開發(fā)和創(chuàng)新的能力。

職業(yè)院校在電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入Multisim14電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化仿真軟件，輔助電類專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是未來電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，不僅可減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損耗與更換周期，更重要的是可提高實(shí)驗(yàn)效率，激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力與設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，使實(shí)驗(yàn)課不僅僅局限于實(shí)驗(yàn)課中的定理驗(yàn)證與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備之內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，而是把實(shí)驗(yàn)與工程應(yīng)用能力結(jié)合起來，對(duì)電類實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)有著極大的促進(jìn)作用，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性。同時(shí)還能拓展電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）的時(shí)空限制，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）不受學(xué)校實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間和老師授課時(shí)間的限制，更好地培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、探究能力和創(chuàng)新思維能力，為學(xué)生終生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。