新工科背景下Multisim 在電工電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

闕慧穎 張政

摘要：在新工科背景下，對應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)提出了更高的要求。針對電工電子技術(shù)課程的特點及教學(xué)現(xiàn)狀，利用Multisim軟件對教學(xué)過程進行優(yōu)化，可進一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。文章首先介紹電工電子技術(shù)課程和虛擬仿真技術(shù)的特點，重點闡述了Multisim在電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，包括理論教學(xué)中利用仿真技術(shù)創(chuàng)新設(shè)教學(xué)情境，在實訓(xùn)練習(xí)中建立模擬平臺，在數(shù)字電路中使用項目教學(xué)法等。

關(guān)鍵詞：Multisim；新工科；電工電子技術(shù)；仿真；課堂教學(xué)

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）11-0164-03

0 引言

在國民經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和新舊動能轉(zhuǎn)換的大背景下，為應(yīng)對我國“新經(jīng)濟”的快速發(fā)展，“新工科”這一理念應(yīng)運而生，其目的是培養(yǎng)能夠適應(yīng)、引領(lǐng)未來工程需求的工科人才[1-2]。在新工科背景下，地方應(yīng)用型本科院校對于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，不僅要求學(xué)生具有一定的理論基礎(chǔ)，還要求具有實踐創(chuàng)新能力。如何利用現(xiàn)代化的手段輔助教學(xué)、加強理論知識與課程實踐的聯(lián)系，進一步提升課程教學(xué)質(zhì)量，是高校課程教學(xué)過程中所面臨的新挑戰(zhàn)。

電工電子技術(shù)課程是大部分高校針對工科專業(yè)所開設(shè)的專業(yè)必修基礎(chǔ)課，具有理論抽象、實踐性強、知識點密集等特點，既有很強的理論性，又具有較強的工程實踐性[3]。昌吉學(xué)院歷來都是選擇將理論知識教學(xué)和實訓(xùn)練習(xí)相分離的教學(xué)模式，但在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，通過單一的理論知識教學(xué)，無法激發(fā)學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣。顯然，這種教學(xué)方式是與“教學(xué)做一體”的思想相脫節(jié)，且以傳統(tǒng)的板書、PPT為主的教學(xué)方法，在對電路波形、電路狀態(tài)進行展示時，具有不直觀和不靈活的缺點。而在實訓(xùn)練習(xí)過程中，盡管可以使用電學(xué)實驗器材、實物演示等進行教學(xué)，但是由于現(xiàn)實條件的約束，只能搭建簡單的電路，與此同時還伴隨著電路參數(shù)難調(diào)節(jié)、電路元器件易損壞等缺點，教學(xué)過程中也伴隨著安全隱患。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代課程教學(xué)過程中，使用計算機軟件輔助教學(xué)可以很大程度上提升教學(xué)質(zhì)量。美國國家儀器（NI） 有限公司開發(fā)了一款在實際工程應(yīng)用中備受青睞的電子電路仿真設(shè)計軟件——Multisim，具有形象直觀的特點[4]。在電工電子技術(shù)課程中引入Mulisim 仿真軟件，對電路進行仿真模擬，可以將抽象復(fù)雜的理論知識生動、形象地展示出來，能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，幫助學(xué)生理解抽象的理論知識，能夠在輕松愉悅的氛圍下夯實知識儲備、提升知識素養(yǎng)，有效地實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，進而提升學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力以及創(chuàng)新意識。

1 Multisim 在電工電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

目前，針對電工電子技術(shù)教學(xué)活動中出現(xiàn)的理論與實踐結(jié)合不足的問題，很多一線教師摸索出項目教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、任務(wù)導(dǎo)向等各種教學(xué)方法[5]，事實也證明教學(xué)方式的不斷創(chuàng)新和改進促使教學(xué)效果在一定程度上得到提升。但是，教學(xué)方式的改革的重心不能僅放在學(xué)生對理論知識的掌握情況，更要注重理論與實踐相結(jié)合，達到促進學(xué)生全面綜合發(fā)展的目的。這就要求教師進行積極探索和創(chuàng)新，將電路仿真技術(shù)融合在課堂教學(xué)過程中，充分發(fā)揮仿真軟件的優(yōu)勢，進一步加深學(xué)生對電路基本知識的理解，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的自主能力、創(chuàng)新能力，提升教學(xué)效果。

1.1 以學(xué)生為中心，理論教學(xué)中創(chuàng)設(shè)虛擬教學(xué)情境

教學(xué)實踐證明，前期知識的積累和儲備能夠增強學(xué)生對學(xué)習(xí)的信心。電工電子技術(shù)課程具有很強的理論性和應(yīng)用性，章節(jié)之間知識點聯(lián)結(jié)較為緊密，如果前期理論知識不扎實不牢固，影響學(xué)生整門課程的學(xué)習(xí)效果。在學(xué)習(xí)這門課程的初期階段，學(xué)生可以憑借高中電路知識的積累對課程內(nèi)容進行初步把握，但是從復(fù)雜電路開始，由于難度的提升就容易讓學(xué)生在心理上產(chǎn)生排斥，因此，教師在開展理論教學(xué)過程中，可以運用仿真軟件創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，把枯燥抽象的理論知識生動形象地展示出來，為課堂教學(xué)的有序進行提供保障。

例如，在關(guān)于“等效電路”相關(guān)知識點進行教學(xué)時，可運用Multisim仿真軟件將電路真實狀態(tài)模擬出來，通過虛擬仿真，將無法用語言描述的直流電路動態(tài)變化直觀生動地展示出來。首先讓學(xué)生根據(jù)課本例題自主搭建電路，通過自主設(shè)置電路中的電阻阻值、電源參數(shù)等數(shù)值，驗證電路結(jié)果是否一致，使得學(xué)生更好地理解電壓源和電流源的等效原理。在教學(xué)過程中創(chuàng)建情景模擬，學(xué)生不僅可以更好地掌握理論知識，還可以在虛擬情境中深入了解掌握實踐操作的原理，同時循序漸進地解決教學(xué)重難點，夯實學(xué)生的實踐操作能力。

1.2 理論聯(lián)系實際，實驗教學(xué)中建立Multisim 仿真平臺

電工電子技術(shù)是一門理論教學(xué)與實訓(xùn)實驗相結(jié)合的綜合課程，理論與實驗相輔相成，相互促進，理論知識指導(dǎo)實驗課程開展，實驗課程驗證理論教學(xué)。在實驗教學(xué)過程中，學(xué)生需要熟練地掌握實驗儀器的使用，熟悉各種元器件的參數(shù)和指標(biāo)，以及基本電路的調(diào)試方法，同時存在因?qū)W生操作失誤或操作不當(dāng)引發(fā)的電路安全隱患，這在一定程度上增加了實驗教學(xué)的困難。因此，在實驗教學(xué)過程中，通過建立模擬平臺，學(xué)生通過使用Multisim軟件進行電路仿真，能夠讓學(xué)生更加直觀地理解電路中各元器件的作用，豐富教學(xué)內(nèi)容，更好地促進實驗與理論知識的相互融合，從而進一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性，提升教學(xué)效果。

例如，以Multisim仿真NPN單管共射集放大電路為例，在進行實訓(xùn)前要求學(xué)生對放大電路的工作原理有較好的掌握，并且要求會畫直流通路和交流通路。教師可以充分運用Multisim軟件進行實踐教學(xué)來深化理論知識，具體做法是在理論內(nèi)容講解之后，組織學(xué)生運用Multisim軟件分小組開展仿真探索實驗。通過仿真軟件的運用，學(xué)生能夠?qū)﹄娐分懈鱾€元器件的作用原理有更加明確的認識，以及對基本電路中各點電位、電流及輸入輸出波形有全面直觀的了解。通過實訓(xùn)練習(xí)對所學(xué)理論知識進行鞏固，學(xué)生能夠從設(shè)計者角度全面分析電路、解釋數(shù)據(jù)和波形。

1.3 運用項目驅(qū)動法，提升學(xué)生綜合運用知識的能力

數(shù)字電路是電工電子技術(shù)課程中較為重要的模塊，但因受到儀器設(shè)備和實驗條件等因素的影響，在實驗項目教學(xué)計劃安排中驗證性實驗占較大比重，學(xué)生只須簡單地參照電路圖搭建電路，通過對實驗現(xiàn)象的驗證來完成實驗，無疑這種實驗教學(xué)模式會讓學(xué)生缺乏主動思考的意識，且削弱了學(xué)生的動手能力以及創(chuàng)新能力，教學(xué)效果不理想。教師可采用項目驅(qū)動教學(xué)法，依據(jù)Multisim軟件設(shè)計綜合型實驗，激發(fā)學(xué)生主動思考的意識。與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，最大的區(qū)別就是在教學(xué)過程中，項目驅(qū)動教學(xué)法是以學(xué)生作為課堂的中心，教師主要起到引導(dǎo)輔助教學(xué)的作用，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)造性在最大程度上得到提升[6]。因此，運用項目驅(qū)動教學(xué)法，可以鍛煉培養(yǎng)學(xué)生獨立分析、解決問題的能力，切實加強學(xué)生對理論知識的實踐應(yīng)用能力。

例如，在數(shù)字電路的實驗教學(xué)章節(jié)中，二進制加法計數(shù)器的設(shè)計是教學(xué)的重難點，也是學(xué)生知識點掌握較為薄弱的部分。根據(jù)實驗設(shè)計的要求，利用Multisim對實驗項目進行仿真，首先列出異步二進制加法計數(shù)器狀態(tài)表，根據(jù)計數(shù)狀態(tài)連接仿真電路圖，使用邏輯分析儀可以形象直觀地對仿真工作波形進行觀察。在數(shù)字電路教學(xué)過程中，結(jié)合Multisim仿真軟件的使用，在進行實驗箱操作的同時不僅可以幫助學(xué)生更加直觀地觀察各點的輸入輸出波形，還可以通過仿真軟件上數(shù)據(jù)反饋等信息及時發(fā)現(xiàn)線路存在的問題，對電路進行優(yōu)化升級，進一步加深學(xué)生對理論知識的印象，激發(fā)學(xué)生自主設(shè)計的興趣，有助于學(xué)生對電工電子技術(shù)課程的綜合性把握，學(xué)會設(shè)計電路，調(diào)試電路，夯實學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用水平與能力。

2 教學(xué)過程的優(yōu)化

教學(xué)過程的優(yōu)化，其目的就在于讓學(xué)生更好地汲取知識，獲得綜合運用知識的能力，其關(guān)鍵還在于學(xué)生本身，而教師在其中主要起到輔助學(xué)生學(xué)習(xí)知識的作用。所以，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力是教學(xué)過程所需要突破的關(guān)鍵一環(huán)。將Multisim軟件仿真融入教學(xué)過程中，不僅僅是簡單地在教學(xué)過程中添加這一環(huán)節(jié)，而是對傳統(tǒng)課堂的重構(gòu)，對整個教學(xué)過程的優(yōu)化，一般包括課前、課中和課后三個部分。在教學(xué)的具體過程中，對教師的教學(xué)方法和授課技巧都有一定的要求，這樣才能更好地提升教學(xué)效果。下面以“電路基本分析方法”這一章節(jié)為例，具體闡述整個教學(xué)環(huán)節(jié)的實施過程。

2.1 課前注重學(xué)情分析，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

課前，教師可利用雨課堂、智慧樹等學(xué)習(xí)平臺引導(dǎo)學(xué)生自主完成課本主要知識，根據(jù)測試結(jié)果對學(xué)情有大致的分析，進而確定講課內(nèi)容。通過學(xué)情分析，可提升課堂效率。依據(jù)教學(xué)內(nèi)容的難易程度，將教師課堂講授學(xué)時縮減，學(xué)生能夠通過線上視頻或其他渠道完成自學(xué)的內(nèi)容，教師就沒有必要再進行授課，而是需要在此基礎(chǔ)上進行延伸。學(xué)生在完成自學(xué)任務(wù)的同時，可在網(wǎng)絡(luò)平臺進行互動交流，提出疑問，帶著問題進課堂，教師要做的就是在課堂授課過程中對學(xué)生的疑問進行解答。此外，通過教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對有知識儲備和積累的知識點更容易接受且有更進一步學(xué)習(xí)的興趣。關(guān)于電路的基本理論知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生在中學(xué)時就已經(jīng)涉及，將中學(xué)所學(xué)知識作為課堂引入，可以提升學(xué)生對本堂課的學(xué)習(xí)興趣。例如，通過引入中學(xué)時學(xué)習(xí)過的歐姆定律，引入本節(jié)課要講授的基爾霍夫定律，同一電路使用兩種方法去分析，有助于學(xué)生更好地理解兩定理之間的聯(lián)系和區(qū)別，加深印象。

2.2 課上注重教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)過程

課中，主要是課堂教學(xué)過程，可根據(jù)課前的學(xué)情分析，對重難點開展課堂教學(xué)，比如基爾霍夫定律、等效電路的基本概念等。使用多種教學(xué)手段，翻轉(zhuǎn)課堂，將課堂內(nèi)容分模塊進行教學(xué)，摒棄之前老師講學(xué)生聽的教學(xué)方法，根據(jù)知識點的難易程度分階段教學(xué)。將教學(xué)重點放在如何引導(dǎo)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題，自主尋找答案的教學(xué)過程中。在課堂的導(dǎo)入環(huán)節(jié)就可以使用學(xué)生課前提出的疑問作為引入，這樣容易引起學(xué)生共鳴。簡要回顧知識點后，以小組合作的形式利用Multisim軟件搭建仿真電路，通過改變電路阻值和電源參數(shù)，分析電路中電壓與電流之間的關(guān)系，讓學(xué)生自己總結(jié)規(guī)律并進行歸納，最后利用所學(xué)的電路定理進行驗證。之后，教師拋出問題：“電壓源與電流源為什么等效？”在經(jīng)過小組討論后，安排對戴維南等效電路的習(xí)題解答，通過分析討論、頭腦風(fēng)暴等，完成習(xí)題解答，進而實現(xiàn)知識的內(nèi)化與遷移。

2.3 課后注重教學(xué)反饋，增強知識鞏固

課后，對教學(xué)過程的優(yōu)化不容忽視的一步是學(xué)生的評價反饋環(huán)節(jié)。教學(xué)反饋不僅是對知識點的簡單鞏固，而是對課堂學(xué)習(xí)效果進行剖析，對學(xué)生的學(xué)習(xí)軌跡進行分析，以便完成下一步的教學(xué)計劃。利用課后習(xí)題考查學(xué)生對知識點的掌握程度也是很有必要的，在實驗仿真之后利用雨課堂平臺對學(xué)生進行知識測驗，分析測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)學(xué)生知識掌握的薄弱點，針對薄弱點制定下一節(jié)的復(fù)習(xí)計劃進行強化練習(xí)。采用任務(wù)驅(qū)動法進行課后教學(xué)，利用雨課堂軟件設(shè)置師生交流任務(wù)，學(xué)生在完成任務(wù)的過程中，需要不斷自主尋求解決問題的方法，增強知識的靈活應(yīng)用能力，同時老師在解答問題時也會不斷地拓展知識面，通過學(xué)生的分享獲得一些優(yōu)質(zhì)資源，供后期的學(xué)習(xí)和研究，起到教學(xué)相長的作用。此外，更重要的是師生相互交流探討課程中的知識可拓寬和延長學(xué)習(xí)時間，加深課后師生之間的交流，促進師生感情拉近師生距離，便于更好地營造新型的師生關(guān)系。

課外，通過Multisim軟件的學(xué)習(xí)，教師可以將科研訓(xùn)練項目與軟件技能相結(jié)合，積極鼓勵學(xué)生參與項目的研發(fā)和優(yōu)化的課題中，實現(xiàn)學(xué)生的分層發(fā)展。在進行課外項目的探究過程中，學(xué)生能夠通過文獻檢索、課外探索等手段，拓寬知識面，進一步激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和探究學(xué)習(xí)能力。

3 結(jié)論

利用Multisim軟件進行電路仿真是幫助學(xué)生深入理解電路原理的有效手段，一方面學(xué)生在設(shè)計電路和測試電路過程中使用仿真技術(shù)，能夠更加直觀理解電路中各個元器件的作用，加深對理論知識的理解掌握。另一方面，學(xué)生對電路原理的深刻理解和靈活運用是仿真過程成功的關(guān)鍵，在仿真練習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，是一個理論知識深化的過程。因此采用Multisim仿真教學(xué)是一種切實有效的教學(xué)形式，可豐富教學(xué)內(nèi)容，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，使課堂教學(xué)生動形象，達到所見即所得的效果。在新工科背景下，在教學(xué)過程中融入Multisim仿真教學(xué)，有利于提高學(xué)生的動手能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，對于人才培養(yǎng)目標(biāo)的達成有著重大的意義。

參考文獻：

[1] 吳愛華，侯永峰，楊秋波，等. 加快發(fā)展和建設(shè)新工科 主動適應(yīng)和引領(lǐng)新經(jīng)濟[J]. 高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[2] 胡波，馮輝，韓偉力，等. 加快新工科建設(shè)，推進工程教育改革創(chuàng)新：“綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會” 綜述[J]. 復(fù)旦教育論壇，2017，15（2）：20-27，2.

[3] 陳越超，畢倡源，王佳敏.“課程思政” 理念下電工電子技術(shù)五位一體教學(xué)模式改革研究[J]. 大學(xué)教育，2022，11（5）：39-41，52.

[4] 羅杰，單瀾，何群英. 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[J]. 科學(xué)與信息化，2021（19）：5-6.

[5] 陳利恒. Multisim仿真在電工電子實驗中的應(yīng)用[J]. 無線互聯(lián)科技，2013（1）：184.

[6] 孫曉紅. 電子電工教學(xué)中項目教學(xué)法的運用[J]. 科技風(fēng)，2022（17）：136-138.

【通聯(lián)編輯：王力】