仿真軟件在高校電工電子實驗教學中的應用

景遠

（東北大學秦皇島分校 河北省秦皇島市 066004）

1 引言

電工電子實驗是高校面向自動化類、電子信息類、計算機類等專業(yè)的本科生開設的必修實驗課程，多為《電路原理》、《電子技術基礎》和《電工學》等課程的課內實驗。良好的實驗教學質量對學生學習理論知識有重要的輔助作用，并且可以培養(yǎng)學生的實踐能力。電工電子實驗課程作為專業(yè)基礎實驗，本著實驗項目能實不虛的原則，絕大多數教學工作都在實際實驗室中開展，很少利用仿真軟件。

近年來，隨著國家政策的鼓勵和支持，虛擬仿真實驗項目受到越來越多的重視。教育部在2018 年發(fā)布的教高函<2018>5 號文件《教育部關于開展國家虛擬仿真實踐教學項目建設工作的通知》中明確指出，“將實驗教學信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內生變量，以高質量實驗教學助推高等教育教學質量變軌超車，助力高等教育強國建設”。2020年開始，高校的教學工作有時必須在線上進行，這成為實驗教學開展的極大難題和挑戰(zhàn)。為保證教學質量，仿真軟件越來越多的被應用到實驗教學中。本文選擇了近兩年應用十分廣泛的Multisim 仿真軟件和科大奧銳仿真平臺，以電路實驗中的RC 一階電路的響應測試為例，深入討論了仿真軟件在高校電工電子實驗教學中的應用。

2 仿真軟件介紹

2.1 Multisim14.0仿真軟件

Multisim14.0 是美國國家儀器NI 有限公司推出的一個以Windows 系統(tǒng)為基礎的仿真工具。該軟件可以設計并搭建復雜的電工電子電路，仿真環(huán)境直觀，操做方便，界面簡單明了，元件庫包含大量常用的電源、儀表、數學模型元件和能發(fā)亮發(fā)聲的元器件等，允許多個儀表同時調用和重復調用，且儀表均具有存儲功能，完全能夠滿足電工電子實驗教學的需要，目前在高校電子實驗室得到了普遍使用。

Multisim14.0 軟件可以對復雜電路進行仿真，操作易上手，學生通過自學即可單獨完成電路的搭建和仿真分析，對于分析復雜電路有很大的幫助。使用該軟件僅需要一臺計算機，做實驗不受空間時間的限制，學生可以利用該軟件隨時隨地分析并設計電路。對于電工電子實驗教學來說，引導學生使用Multisim 仿真軟件不僅可以完成正常教學任務，還可以讓學有余力的學生自主設計一些多學科融合的實驗項目或在實驗室難以開展的實驗項目，這對培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力有極大的促進作用。

2.2 科大奧銳仿真平臺

科大奧銳仿真平臺是科大奧銳公司推出的專門針對高校實驗教學的仿真軟件，目前包括大學物理仿真實驗平臺和電學仿真實驗平臺。電學實驗平臺包括電路、數字電子技術和模擬電子技術等多門課程的實驗項目，元器件形象逼真，能夠基本還原在真實實驗室做實驗的場景。使用該仿真軟件需要在電腦安裝虛擬仿真環(huán)境，使用個人賬號登錄特定網址后可體驗實驗過程。

由于該仿真平臺是專門針對高校實驗教學設計的，所以還包括有許多實用的教學環(huán)節(jié)，例如實驗在線演示、實驗報告上傳及自動批閱、實驗成績自動生成等?？拼髪W銳仿真平臺可以支持幾百名學生同時在線，操作界面清晰直觀，非常適用于高校電工電子實驗教學，目前多所高校都在使用。

3 教學實例

3.1 RC一階電路響應測試介紹

RC 一階電路的響應測試是電路實驗課程的必修實驗項目，實驗中會使用到信號源、示波器、若干電容電阻等元件，很適合用虛擬仿真軟件觀察其波形變化。該實驗項目的內容是連接由不同電容、電阻值組成的一階電路，使用示波器觀察零輸入、零狀態(tài)響應的波形變化過程。其中電路激勵是由信號發(fā)生器提供的方波信號，其頻率為1kHz，峰峰值V=2V，前半周期電壓值為2V，后半周期電壓值為0V。電路激勵信號如圖1 所示。

圖1：電路激勵方波信號

在真實的實驗環(huán)境中，該實驗要求學生連接四個電路，其中前兩個為正常狀態(tài)下的零輸入和零狀態(tài)響應過程，通過這兩個電路學生能夠觀察到當電路參數發(fā)生改變導致時間常數變化時，對零輸入、零狀態(tài)響應產生的具體影響。后兩個電路圖分別為積分電路和微分電路，是當時間常數極大或極小時的響應過程。在這兩種極端情況下，電容充電和放電的過程會相應的變得極慢或極快，零輸入和零狀態(tài)響應的波形也會發(fā)生比較大的變化，學生通過示波器可以清晰明了地觀察到波形圖的變化過程。實驗中的四個電路參數如下：

a. 激勵為頻率1kHz、峰峰值V=2V 的方波信號，電阻R=600Ω，電容C=0.1μF；

b. 激勵為頻率1kHz、峰峰值V=2V 的方波信號，電阻R=1000Ω，電容C=0.1μF；

c. 激勵為頻率1kHz、峰峰值V=2V 的方波信號，電阻R=10kΩ，電容C=0.1μF；

d. 激勵為頻率1kHz、峰峰值V=2V 的方波信號，電阻R=100Ω，電容C=0.1μF。

其中前三個電路a、b、c 要求用示波器觀察電容電壓的變化過程，電路圖如圖2 所示；最后一個電路d 為微分電路，要求用示波器觀察電阻電壓的變化過程，電路圖如圖3 所示。

圖2：a、b、c 電路圖

圖3：d 電路圖

a、b 電路為正常狀態(tài)下的一階電路全響應過程。通過分析容易得知，前半周期當方波信號電壓為2V 時，電容處于充電過程，稱為零狀態(tài)響應，后半周期當方波信號電壓為0V 時，電容處于放電過程，稱為零輸入響應。零狀態(tài)響應電容電壓U和電源電壓U滿足公式：

a、b 電路的激勵和響應波形曲線唯一的不同是時間常數不同所導致的電容充電和放電時間不同，零狀態(tài)響應和零輸入響應曲線的上升和下降快慢不同。a、b 電路的響應曲線形狀大致相同，其激勵和響應曲線均如圖4 所示。c 積分電路的響應曲線如圖5 所示，d 微分電路的響應曲線如圖6 所示。

圖4：a、b 電路響應曲線

圖5：c（積分電路）響應曲線

圖6：d（微分電路）響應曲線

3.2 使用Multisim14.0仿真

學生使用Multisim14.0 仿真軟件時，需要在軟件運行窗口自行尋找實驗所需元器件，按圖2、圖3 所示電路連接。通過觀察不難發(fā)現，a、b、c、d 四個電路圖電源激勵均沒有差異，只有電阻值不同，所以本文僅以a 電路為例，完成電路的搭建和仿真。

使用Multisim14.0 軟件工作區(qū)搭建RC 一階電路圖時，在操作窗口選擇可提供正弦波、三角波、方波3 種不同波形信號的電壓信號源，調節(jié)其輸出為頻率1kHz、峰峰值2V 的方波信號，再選擇示波器、電容及電阻，連接成完整回路。運行之后可在示波器上觀察到如圖7 所示波形圖。

圖7：Multisim 軟件仿真響應曲線波形圖

通過觀察圖7 的實驗結果可以發(fā)現，該實驗結果與圖4的理論結果接近，前半周期是電容充電過程，后半周期電容放電。學生得到此實驗結果后，可以自行分析波形的走勢，并與理論結果相結合，加深對RC 一階電路響應過程的理解。

目前筆者已在電路實驗教學中開展線上RC 一階電路響應測試實驗項目，并對學生進行問卷調查，以便于總結Multisim14.0 教學實際效果。以自動化專業(yè)2020 級的一個班級為例，該班級共有34 名學生，因沒有電腦無法完成線上教學1人，其余33名學生同時完成了線上和線下實驗教學。從問卷調查結果來看，有25 名同學認為使用Multisim14.0仿真軟件完成RC 一階電路實驗沒有問題，占比75.8%。有7 名同學認為虛擬儀器尤其是示波器標識不清楚，不容易調節(jié)，做完實驗感覺沒有完全明白。在問到更偏向線上還是線下實驗時，超過50%的同學選擇線下做實驗，認為線下實驗使用儀器更直觀，更易操作。以上數據顯示，學生直接使用Multisim14.0 仿真軟件完成線上實驗時，由于需要花費時間掌握元件庫的使用方法并自選實驗器材，對部分學生來說有一定困難。若使用Multisim 仿真軟件完成線上實驗教學，教師先對學生進行軟件使用的統(tǒng)一培訓效果會更好。同時Multisim 軟件具備十分全面的元件庫，適合電工電子實驗的擴展教學，待熟練掌握軟件使用方法之后，可以鼓勵學生自行編輯實驗以加深對理論課程的理解，并提高自身創(chuàng)新能力。

3.3 使用科大奧銳電學平臺仿真

學生使用科大奧銳電學平臺做實驗，需要由教師提前編輯好實驗內容，選取實驗儀器并發(fā)布在仿真平臺。學生下載安裝虛擬實驗環(huán)境，即可進入實驗操作。

科大奧銳仿真平臺與真實實驗室環(huán)境接近，所有儀表及元件都與真實元件類似，學生通過該平臺做實驗也可以了解實際儀器及相關元件的外觀。不同于Multisim 仿真軟件，學生使用科大奧銳仿真平臺不能自由地在元件庫自選元件，而只能用教師提供的電子元件完成實驗內容。學生做實驗時通過拖拽儀器和簡單的鼠標點擊連接電路。電路連接完成之后將儀器開關打開即可在示波器觀察到響應波形。如果電路連接無誤，學生將會在示波器觀察到類似圖4 的波形圖。

在使用科大奧銳仿真平臺進行線上實驗教學時，同樣選擇自動化專業(yè)的相同的一個班級，除了1 名同學因為沒有電腦無法完成線上實驗外，其余33 名學生均使用科大奧銳電學平臺完成了RC 一階電路響應測試實驗。其中31 名學生認為可以達到線下實驗的效果，使用該仿真平臺完成線上實驗后，能夠完全理解實驗內容和實驗結果，2 名學生認為僅通過線上實驗的方式還不足以理解全部實驗電路和數據。由此可知，科大奧銳仿真平臺的線上實驗效果認可度較高，由于該平臺環(huán)境和實驗元件與實際實驗室接近，學生更容易接受?？拼髪W銳仿真平臺更適合高校電工電子實驗課的日常教學。

4 仿真平臺在實驗教學的應用效果評價

在高校電工電子實驗教學中，使用Multisim14.0 仿真平臺和科大奧銳仿真平臺均能得到與理論接近的實驗結果，學生完全能夠使用這兩個仿真平臺完成實驗并分析實驗結果。

考慮到實驗課上課和管理的情況，科大奧銳仿真平臺更適合日常實驗教學。該平臺功能強大，仿真實驗環(huán)境接近真實實驗室，不僅可以開設電工及電子技術實驗項目，教師還可以隨時查看學生實驗進度，實驗報告上傳及完成情況等。使用該軟件時，教師需要提前熟悉虛擬實驗環(huán)境，編輯實驗項目并發(fā)布實驗任務，學生按照實驗要求在規(guī)定的時間內完成線上實驗并上傳實驗報告。由于學生使用科大奧銳仿真平臺時只能選擇教師規(guī)定的實驗元件完成實驗而不能自行創(chuàng)建實驗，所以該實驗平臺更適合用于必修實驗項目的教學工作。

Multisim14.0 仿真軟件具備更全面的電子元器件庫，學生使用該平臺做實驗時需自行選擇符合實驗要求的元件完成電路搭建和連接，所以需要學生花費一定時間熟悉其元件庫各個元件的功能屬性。由于教師通過該軟件無法監(jiān)測學生學習狀態(tài)，Multisim14.0 仿真軟件更適合作為輔助手段服務于高校電工電子實驗教學。

綜上所述，以上兩款仿真軟件都可以在特殊時期學生無法返校時，作為應急手段完成實驗教學任務。仿真軟件在實驗教學中有其天然優(yōu)勢，學生做實驗時間更自由，不受時間和場所限制，在實驗過程中也不會因為操作不當損壞電子元件，實驗環(huán)境更安全，針對不易理解的實驗環(huán)節(jié)，學生還可以多花時間反復研究。但是仿真軟件的不足也不應忽視。首先，仿真軟件的電子元器件趨于理想化，學生使用仿真軟件的實驗數據基本沒有誤差，與實際情況不符；其次，有些儀器的功能不如真實儀器全面，如示波器、信號發(fā)生器等；最后，由于使用仿真軟件必須要有電腦，少數不滿足此條件的同學無法進行線上實驗。

5 結語

在國家大力推廣虛擬仿真實驗項目的大環(huán)境下，仿真軟件介入高校電工電子實驗教學是必然趨勢。本文以RC 一階電路響應測試實驗為例，探討了兩種應用廣泛的仿真軟件，Multisim14.0 和科大奧銳仿真平臺在高校電工電子實驗教學中的應用。在突發(fā)疫情學生無法返校的情況下，兩種仿真軟件基本都可以滿足電工電子實驗的教學需求。在日常實驗教學過程中，仿真軟件可作為輔助手段服務于實驗教學。學生可在課前先使用仿真軟件熟悉實驗過程，這樣能更全面的理解實驗內容，在實際實驗室操作更容易上手且不易發(fā)生誤操作損壞實驗儀器。另外，仿真軟件也可以開發(fā)難度更高、多學科融合的實驗項目供感興趣的學生選擇學習。學生可以針對自己想要深入了解的知識自行設計實驗并使用仿真軟件驗證，這樣能極大的激發(fā)學生的學習熱情并鍛煉學生的自主創(chuàng)新能力?？傊?，高校電工電子教學結合仿真軟件可以為學生提供更加全面、安全和高效的實驗環(huán)境，不僅能夠讓學生更好的理解必修實驗項目的相關操作和知識，還可以開設選修實驗滿足不同層次學生的學習要求。