計算機虛擬實驗室在電工學教學中的應用

摘要：本文介紹了Multisim10在電工學專業教學中的應用，對技工院校的電工學教學現狀進行分析并提出解決方案，具體說明Multisim10在電路仿真及輔助教學中的作用。

關鍵詞：Multisim10虛擬儀器戴維南定律

一、引言

在從事技校電工學教學的過程中，筆者發現技校學生普遍對學習電工學這門課程感到吃力，表現為學生對電路的工作原理難以理解，對單純的理論教學不感興趣、自我分析電路的能力弱等問題。但在試驗中，學生的安全用電意識差、對儀器儀表的使用知識欠缺，經常亂接線，導致電路元件、儀器儀表、工作臺人為損壞，致使學校的電工電子試驗室損壞嚴重，維修費用居高不下。究其原因，主要有兩個方面：

1.教學模式不合理

電工學是一門理論性很強的專業，既要對電路的運行原理有一定的了解，又要通過實際動手組裝電路進行相應的數據測量，進一步加深對電路的理解，因此一直都采用先理論后試驗的教學模式，這就造成學生沒有感性的認識，對原理的理解與運用存在一定的難度，往往使后續的試驗難以進行。

2.學生素質參差不齊

目前技校的生源普遍以初中畢業生為主，學習方式還以灌輸式為主，學生分析問題解決問題的能力相對較弱，但學生的好奇心較強，對新鮮事物易于接受，對計算機感興趣。

綜上分析，將計算機仿真引入到電工學的理論教學勢在必行。

二、Multisim10電路仿真軟件介紹

Multisim10是美國國家儀器（NI）公司在收購原加拿大的EWB基礎上，推出的一款以Windows為基礎的電路仿真工具，具有完整的集成化設計環境。Multisim所包括的計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節的這一問題。學員可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實地再現出來，是電工電子教學的首選軟件工具。它具有以下特點：

1.直觀的圖形界面

該軟件整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需要的元器件和仿真所需要的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標即可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數據、波形和特性曲線如同真實儀器上顯示的一樣。

2.強大的仿真能力及豐富的測試儀器

該軟件可作為模擬／數字電路板的設計仿真工作，并提供了多達18種的虛擬儀器進行電路動作的測量。

3.完善的后處理和分析手段

它利用仿真產生的數據執行分析并處理，分析范圍很廣，從基本的，到極端的，到不常見的都有，并可以將一個分析作為另一個分析的一部分自動執行。

下面以驗證戴維南定律為例，介紹Mutlisim10在電工學中的應用。

三、Multisim10在驗證戴維南定律中的應用

在仿真之前，教師必須在課堂中先講解戴維南定律的基本內容，使學生理解戴維南定律的原理，掌握開路電壓及等效電阻的計算方法。之后結合多媒體教學或計算機演示，在Multisim10中進行仿真驗證，給學生以感性認識。方法如下：

第一，在Multisim10中繪制原理圖，解釋戴維南定律，即任何一個有源二端線性網絡都可以用一個電動勢E的電壓源和內阻R0串聯的電源來等效代替。利用Multisim10中提供的電壓表及電流表，測量負載R5的電壓及電流，如圖1所示。

圖1

第二，斷開負載R5，計算開路電壓Uab，并用電壓表測量，如圖2所示。

圖2

計算值：

測量值：Uab=－6V

第三，計算等效電阻。將電壓源視為短路，電流源視為開路，并用萬用表的歐姆擋測量。

計算值如圖3所示。

測量值：R＝3Ω

圖3

第四，用開路電壓Uab和等效電阻代替原二端口網絡，并接上原負載電阻R5，驗證此時R5的電流與電壓和原圖1中的數據是否相等，如圖4所示。

圖4

通過仿真可以發現，等效之后的R5電流與原圖中的R5電流是一樣的，這就充分驗證了戴維南定律的正確性。

四、結束語

本文通過驗證戴維南定律，將Multisim10引入到教學中，起到了理論與試驗結合的橋梁作用，學生不必顧慮部件和儀器會損壞，能夠自由地學習，節省了時間和成本，同時也為他們將來在實驗室中使用這些儀器做好了準備，這對教學是非常有益的。

參考文獻：

[1]黃智偉.基于NI Multisim的電子電路計算機仿真設計與分析[M].北京:電子工業出版社，2011.

[2]張孝三.電工學（第三版）[M].北京:中國勞動社會保障出版社，2001.

（作者單位：江西航空職業技術學院）