基于Multisim 的測控電路線上線下混合式實驗教學設計與實踐＊

平頂山學院電氣與機械工程學院 楊麗 薛亞許 姬鵬飛 王浩然

根據(jù)疫情防控期間“停課不停學”要求，為確保實驗教學順利有效開展，引入Multisim 仿真軟件，從實驗預習、實驗教學實施、實驗教學考核、實驗報告撰寫等4個方面對測控電路實驗進行線上線下混合式教學方案設計，并展開實施。以電壓比較器實驗項目為例對其線上教學實施環(huán)節(jié)進行重點設計，分別對過零比較器、滯回比較器、窗口比較器三種電壓比較器進行電路繪制和仿真分析。通過對電路進行運行和調(diào)試，得出仿真結(jié)果與實驗原理一致。實踐結(jié)果表明：對于測控電路實驗，引入仿真軟件，采用線上線下混合式教學，具有一定的可行性，能夠激發(fā)學生的積極主動性，有助于培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力；同時，整個實驗過程無形融入的工匠精神對履行“立德樹人”有一定參考意義。

作為測控技術與儀器專業(yè)的一門重要課程，測控電路不僅是電子技術課程的深化與提高，更重要的是實現(xiàn)電子技術與測量、控制之間的互通[1]。根據(jù)精度、快速響應、靈活性、可靠性的要求，測控電路主要分為信號調(diào)理電路和數(shù)字與邏輯控制電路等，其中信號調(diào)理電路包括放大電路、信號的調(diào)制、解調(diào)與分離、運算電路、轉(zhuǎn)換電路等。該課程實踐性很強，對學生的綜合運用能力要求較高，不僅要學好理論，同時，還要具有對一些常用的電子儀器、調(diào)試電路、測試電路等進行合理選擇和故障排查的能力。

測控電路實驗的開設為該課程的學習提供了一定的支持，但是，隨著疫情的發(fā)展，往常按部就班的課堂教學充滿了不確定性，需要隨時做好線上線下教學[2,3]的無縫銜接準備。對于師生來說，線下教學比較常規(guī)，但是線上教學卻存在各種未知因素，時刻挑戰(zhàn)著教學的有效開展。如何利用網(wǎng)絡資源合理有效地開展線上教學是很多教師都必須面臨和思考的一個問題。在實驗教學層面，學生無法到實驗室進行實驗，會導致部分實驗內(nèi)容流于表面，形同虛設等問題。在此，筆者借助Multisim 仿真軟件，對測控電路的實驗項目進行線上線下混合式教學設計并進行實施，獲得了較好的實驗效果。

1 線上線下混合式實驗教學方案設計

1.1 線下實驗預習

在線上實驗教學的情況下，學生的課前預習直接影響實驗進度的開展，因此，為保證教學質(zhì)量，學生需要提前預習實驗所用軟件、實驗內(nèi)容等。針對實驗所用軟件及其使用教程，筆者事先錄制相關視頻并上傳至學習通，學生需要提前安裝Multisim 軟件[4,5]，并觀看視頻，掌握該軟件的基本功能，同時，針對接下來要開展的實驗項目進行實驗目的、實驗原理、實驗步驟、實驗視頻等進行預習。該環(huán)節(jié)內(nèi)容學生是否完成以及完成度如何通過問卷調(diào)查進行評價。

1.2 線上實驗教學實施

線上教學活動采用釘釘會議進行開展，考慮到繪制電路所需時間，教師需要對實驗內(nèi)容進行精講留白，簡明扼要講解實驗重難點，并對實驗原理進行分析。在采用Multisim 軟件繪制電路時，教導學生需要耐心，切不可急躁，實驗結(jié)果很多時候不是一蹴而就，需要認真調(diào)試及查找問題，具體仿真調(diào)試過程可參考如圖1 所示的進行。

圖1 Multisim 軟件仿真流程Fig.1 Multisim software simulation process

當所繪制電路調(diào)試不出想要的結(jié)果時，要想辦法去解決問題，可以從電路的正確繪制或者元器件的參數(shù)設置等方面進行查看，切不可半途而廢。這種工匠精神的融入無形中鍛煉了學生的毅力，有助于學生嚴謹態(tài)度及創(chuàng)新意識的培養(yǎng)[6]。

1.3 線上實驗教學考核

線上教學過程中，講解完畢后要對全程進行監(jiān)控，學生需要按照實驗任務和要求進行實驗電路繪制、電路仿真與調(diào)試，對于仿真結(jié)果要進行結(jié)果分析和數(shù)據(jù)記錄，同時，將對應的波形繪制出來。這一過程，教師要將一些共性問題進行及時講解，同時，要求學生出現(xiàn)問題要及時解決。整個線上教學過程要根據(jù)考評要求并結(jié)合學生的具體表現(xiàn)當堂進行考核。

1.4 線下實驗報告撰寫

實驗結(jié)束后，需要根據(jù)實驗記錄，認真撰寫實驗報告，實驗報告可以是電子版也可以是紙質(zhì)版，撰寫完成后，要在規(guī)定時間內(nèi)上交。

2 實驗案例

以電壓比較器為例展開線上線下混合式實驗教學。電壓比較器是用來鑒別和比較兩個輸入電壓大小的電路，比較器輸入的是模擬量，輸出的是數(shù)字量。具體的教學方案設計如上所述，這里主要針對線上實驗教學實施展開說明。

2.1 電路繪制

電壓比較器主要分為電平比較器、滯回比較器和窗口比較器。其中電平比較器是最基本的比較器，當一端輸入電壓為零時，就變成另一端電壓與零進行比較，這種比較器又稱過零比較器。借助Multisim 軟件繪制過零比較器電路，如圖2 所示。

圖2 過零比較器Fig.2 Zero-crossing comparator

繪制過程中以放大器為中心，以信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號作為過零比較器的輸入，過零比較器的輸出用雙蹤示波器觀察。

函數(shù)信號發(fā)生器“XFG1”可以產(chǎn)生方波、正弦波、鋸齒波3 種波形，其“+”和“-”對應不同的極性，“COM”為共地端。

放大器反相輸入端經(jīng)電阻R1 接到函數(shù)信號發(fā)生器“XFG1”的“+”極；放大器同相輸入端直接接地；放大器輸出端接雙通道示波器“XSC1”的通道A。為比較過零比較器輸入和輸出，將輸入信號接到通道B。同時，放大器所在模塊接±15V 直流電源。此時作電壓比較器用的放大器工作在非線性狀態(tài)，滿足“虛斷”，但不再滿足“虛短”。

同理，可依次繪制出滯回比較器電路和窗口比較器電路，分別如圖3、圖4 所示。

圖3 滯回比較器Fig.3 Hysteretic comparator

圖4 窗口比較器Fig.4 Window comparator

2.2 仿真分析

對于過零比較器，當輸入信號為頻率50Hz，幅值10V 的正弦波時，通過運行軟件可得到仿真波形如圖5所示。其中，“1”為輸入波形，“2”為輸出波形，該編號對于滯回比較器和窗口比較器仿真波形同樣適用。

圖5 過零比較器仿真波形Fig.5 Zero-crossing comparator simulation waveform

由圖5 可知，當輸入電壓大于等于0時，輸出一個低電位；當輸入電壓小于0時，輸出會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，輸出一個高電位。該結(jié)果與過零比較器原理一致。

通過對過零比較器進行電路繪制和仿真分析可以看出：過零比較器結(jié)構(gòu)簡單，對電壓反應較靈敏。但是如果當輸入信號疊加其他干擾信號時，根據(jù)過零比較器的原理特點易導致其抗干擾能力差，容易產(chǎn)生“振鈴”現(xiàn)象，此處學生可以自由加入一定的干擾信號進行驗證。

同理，對滯回比較器電路和窗口比較器電路進行仿真，波形分別如圖6、圖7 所示。通過分析波形，可以分別對滯回比較器和窗口比較器原理進行驗證。同樣，在整個仿真過程中，學生可以根據(jù)需要設計不同的電路模型，進一步去理解電壓比較器原理。

圖6 滯回比較器仿真波形Fig.6 Hysteretic comparator simulation waveform

圖7 窗口比較器仿真波形Fig.7 Window comparator simulation waveform

3 結(jié)語

實驗室受設備臺套數(shù)、儀器陳舊老化等限制，同時還經(jīng)常面臨設備維修等問題。引入Multisim 軟件進行線上線下混合式教學能夠有效避免這一問題，并且在實驗內(nèi)容多樣性、元器件參數(shù)靈活修改等方面具有明顯的優(yōu)勢，同時，學生從頭到尾獨立完成整個實驗，一定程度上有利于其成就感獲得提高。但是，仿真實驗也存在著缺少互動性、監(jiān)管力度不夠、網(wǎng)絡擁擠、卡頓甚至斷網(wǎng)等問題。疫情防控期間，如何更好地運用信息技術提高線上線下混合式實驗教學質(zhì)量，接下來還需要進一步研究。

引用

[1] 李醒飛.測控電路(第5版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2021.

[2] 焦建利,周曉清,陳澤璇.疫情防控背景下“停課不停學”在線教學案例研究[J].中國電化教育,2020(3):106-113.

[3] 謝幼如,邱藝,黃瑜玲,等.疫情防控期間“停課不停學”在線教學方式的特征、問題與創(chuàng)新[J].電化教育研究,2020,41(3):20-28.

[4] 馮成濤,儲開斌,郭俊俊,等.基于Multisim技術的電子技術課程設計改革[J].實驗室科學,2020,23(3):95-99.

[5] 任君玉.基于Multisim的模擬電子技術實驗教學改革[J].實驗科學與技術,2022,20(3):57-63.

[6] 劉功曉,邵鴻翔.電工電子實訓課程思政的探索與實踐[J].中國設備工程,2022(4):240-241.