Multisim在“電工電子技術”課堂教學中的應用

摘要：機械類專業的“電工電子技術”是一門理論性與實踐性兼備的課程，在該課程的課堂教學中加入NI Multisim 10.0的軟件仿真教學，可以實現課堂理論教學和實驗教學的結合，使學生對抽象的理論知識有形象、直觀的認識。將之作為多媒體教學的一部分，更有助于提高課堂教學的效果。

關鍵詞：電工電子技術；Multisim；軟件仿真教學；多媒體教學

作者簡介：鄔寶寅（1985-），男，河南信陽人，鄭州科技學院機械系，助教；張莉（1982-），女，河南開封人，鄭州科技學院機械系，助教。（河南鄭州450064）

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）06-0068-02

一、軟件應用簡介

Multisim是美國國家儀器（NI）公司推出的基于Windows操作系統的仿真工具。其中Multisim 10.0版本的軟件具備原理圖設計、硬件描述語言設計，模擬、數字電路仿真，可編程器件仿真、PCB設計與輸出等功能。該軟件原是為電氣工程師設計的，可以幫助電氣工程師設計電路軟硬件，分析電路的運行情況，并指導對電路設計的修改，減少電路設計出錯的可能性。Multisim 10.0同樣可用于電學教學，通過Multisim可以在其界面上搭建目標電路，調用虛擬儀表測量電路中各處的狀態、參數，分析電路的運行情況，并與理論計算的結果相印證，驗證理論計算正確與否。

就仿真功能而論，Multisim的元件庫里含有豐富的電子、電氣元件，包括基本元件、通用集成電路和不少常見的專用集成電路、可編程器件等。界面里含有多種虛擬儀表。通過調用電子元件，可以在Multisim的界面上搭建繪制所研究電路的電路圖，調用各種虛擬儀表連接到電路當中需要測量的位置上，運行電路便可觀察出虛擬儀表上的讀數，了解電路的參數，這個過程等同于在實驗室中搭建了一個真實的電路。

二、應用思路

機械類專業的“電工電子技術”是一門理論性與實踐性兼備的課程，傳統教學采用板書講授法，現在又多采用多媒體課件的教學方法，更多的教師在講授電工電子技術時，以多媒體課件為主，對其中理論推導的過程結合以板書講授。這兩種都是理論教學的方法，一個邏輯縝密，但過程抽象，另一個比較直觀。“電工電子技術”的另一個教學環節是實驗課，多是在實驗室中進行，由學生自己動手操作。這兩個教學環節不管是在時間上還是在空間上都是獨立的，無法進一步緊密地結合。

在課堂教學中引入Multisim軟件仿真技術，便是要將理論教學和實驗教學結合起來，將實驗室搬到課堂，搬到教室的大屏幕上，使學生在學習理論知識的同時，能夠直接觀察到實驗現象——盡管只是從屏幕上觀察到的。這將加深學生對理論知識的印象，從而降低教師對理論知識講解的難度。這個過程實質上是將電學分析的成果，以一種比多媒體課件更加直觀的形式表達出來，因為在仿真軟件的窗口上，電路的運行是動態的。

以教師為主導的理論教學和以學生為主導的實驗教學都是不可替代的，Multisim軟件仿真教學是聯系理論教學和實驗教學的橋梁，可以寓實驗教學于理論教學之中，使兩者之間沒有時間空間上的界限，不再是兩個相互獨立的教學環節。

三、教法和學法設計

將板書講授教學、多媒體課件講授教學和Multisim軟件仿真教學三者結合在一起，可以實現比較好的教學效果。

1.教法設計

如圖1所示，在課堂教學中，多媒體課件是課堂素材的主體，中間穿插板書推演和Multisim軟件仿真，其中Multisim軟件仿真素材的電路可以以超鏈接的形式加在多媒體課件中。首先提出所要講解的目標電路，分析電路中所使用電子元件的類型，元件的特性以及電路的組成、結構特點等信息，然后對電路進行簡化，建立電路的電學模型。這個過程可以結合多媒體課件中的圖像文字進行講解。然后是根據電路電學模型中的已知條件，解算出電路的未知條件，得出電路的輸入輸出關系，并可以代入電路的具體參數數值得出結論性數據。這個過程比較抽象，可以采用傳統的板書推演方式。隨后進行的就是Multisim軟件仿真，打開課前準備好的Multisim原理圖文件，在軟件窗口上觀察記錄元件參數，運行仿真，記錄虛擬儀表所測得的數據，然后將之代入理論推導出的電路的輸入輸出關系中，加以驗證。最后是對該電路實例的綜合和總結。

2.學法設計

電路仿真軟件NI Multisim 10.0使用十分方便，學生完全可以通過自學了解該軟件的使用方法，并加以應用。教師可以在學生中推廣該軟件，讓學生在有條件的情況下自行下載安裝，利用業余時間自主學習該軟件的用法，甚至可以用來解決一些實際的電路分析、設計問題，將之作為解決電路問題工具之一。其在課程設計、畢業設計中都有可用之處。

四、應用舉例

下面以RLC串聯電路為例，來舉例說明一下NI Multisim 10.0在課堂教學中的應用。

首先運行軟件，如圖2所示，在軟件的窗口中調用交流電壓源、電阻、電感和電容，將電壓源電壓改為220V，頻率改為50Hz，將電阻、電感和電容的參數分別修改為100Ω、100mH和100μF。然后調用虛擬電壓表，分別測量電阻、電感、電容兩端的電壓，調用電流表測量回路中的電流，調用示波器觀測電阻、電感和電容相對于零電位點的波形。點擊運行鍵使電路處于運行狀態，觀察電壓表電流表的讀數，得出如表1所示讀數。

1.阻抗關系驗算

通過表1可以計算出電感感抗、電容容抗。

由此可以得到復阻抗和總電流：

通過計算可知，電流計算結果與測試結果相同，可以驗證感抗、容抗計算公式和復阻抗計算公式。

2.電壓關系驗算

通過表1和阻抗關系驗算結論得出電阻、電感和電容的分壓：

由此可以得到復總電壓：

通過計算可知，總電壓計算結果與測試結果相同，可以驗證RLC串聯分壓計算公式。

3.諧振關系與波形

通過以上計算可知，電感分壓與電容分壓十分接近，電路接近串聯諧振狀態，電阻分壓等于電源電壓，電流達到最大值，由此可以驗證串聯諧振關系。

雙擊窗口中的虛擬示波器，打開示波器波形圖（如圖3所示）可以觀察到RLC串聯電路中各點的波形圖。電路中所調用的是四蹤示波器，其中A通道測量的是總電壓，B通道測量的是LC串聯的電壓，C通道測量的是電容兩端的電壓。觀察可知總電壓有效值將近220V，電容兩端的電壓有效值大約70V，而LC串聯后的電壓非常小，趨近于諧振狀態。

五、結論

現代多媒體教學方式為靈活多樣使用教學方法提供了環境，而豐富的軟件技術又為教學提供了多種便利的工具。電路仿真軟件NI Multisim 10.0是一種計算機輔助電路設計軟件，借助現代多媒體教學環境，靈活使用該軟件的仿真功能，使之成為多媒體教學要素的一部分，可以為提高電學課堂教學效果提供一定的幫助。

參考文獻：

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[4]美國國家儀器(NI)有限公司.在線研討會:Multisim 11為教育工作者設計的新特性(2010)[EB/OL].http://www.ni.com/zhs/.

（責任編輯：劉輝）