Multisim在“電路分析”項目教學中的探索與實踐

摘要：根據工科學生的實際情況，結合NI公司推出的最新Multisim11.0電子虛擬仿真軟件的特性，以“電路分析”教學為例，將Multisim11.0與項目教學法結合應用于課堂教學中。實踐結果表明：該方法能夠激發學生的積極性，加深學生對相關知識的理解，優化課堂教學的效果同時提高學生的動手能力，促進了學生學習的興趣發展。

關鍵詞：虛擬仿真；電路分析；項目教學法

中圖分類號：TN710.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）30-0039-02

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力[1]。

國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）指出要加快教育信息化進程，建立虛擬實驗室，強化信息技術應用。提高教師應用信息技術水平，更新教學觀念，改進教學方法，提高教學效果[2]。

本課題利用虛擬仿真軟件Multisim 11.0，結合“項目教學法”，應用于“電路分析”教學中，讓學生利用信息技術主動學習、自主學習，增強運用信息技術分析解決項目中難題的能力，有效解決電類及相關專業教學中存在的實驗實訓室場所有限、實驗設備更新速度慢、實驗實訓教學等項目相對固定，可開發的空間不大等難題，并且能夠激發學生的積極性，加深學生對相關知識的理解，優化課堂教學的效果。同時提高學生的動手能力，促進了學生學習的興趣發展。

一、“電路分析”課特點分析

“電路分析”是電氣、電子信息、通信、計算機、自控類專業一門重要的專業技術基礎課程，是研究電路理論的入門課程。學生對“電路分析”課程的掌握情況直接關系到后續專業課程的學習，是學好專業課程的前提和必要條件[3]。

目前，大部分高等院校仍采用傳統“電路分析”教學方法，表現特點為：

教師教學以灌輸課程知識為主，忽視了啟發性學習、探究性學習、發現性學習、行動性學習和設計性學習對學生發展的價值。

只注重講解理論知識和習題練習而忽視培養動手能力和創新思考能力。

學生僅僅被動地接受知識，教學過程中缺乏學生與教師的互動，學生學習的主動性、積極性、協助性受到很大的影響。

傳統的“電路分析”教學內容理論性強，公式推導復雜，要學好它，不僅需要具有較高的數學功底、較扎實的物理知識，而且需要學生具有較高的抽象思維能力和自主探究能力，對于工科學生來說，采用傳統的方法授課，不僅感到這門課程枯燥乏味，而且很難掌握。

二、Multisim 11.0結合項目教學法在“電路分析”教學中的優勢

Multisim11.0具有直觀的圖形界面、豐富的元器件、強大的仿真能力、豐富的測試儀器、完備的分析手段、獨特的射頻（RF）模塊、強大的MCU模塊、完善的后處理、詳細的報告、兼容性好的信息轉換等強大功能。它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，可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現出來[4-6]。

“項目教學法”突破了傳統課堂教學中“以教師為中心”的教學理念，強調學生是學習的主體，注重學科之間的交叉性，倡導自主學習和協作學習[7]。

Multisim11.0結合“項目教學法”在“電路分析”教學中的優勢：高指標的虛擬儀器和充足的元器件資源，彌補了實踐經費不足，實驗實訓室場所有限，實驗設備更新速度慢等缺憾；擴展了學生的實踐空間和實驗實訓內容，擴大信息接受量，增大課堂教學容量，調動學生學習的積極性；易于學生進行拓展性、研究性實驗，開闊思維，提高學生學習興趣；促進學生加深知識的理解和記憶，有利于師生之間的情感交流。

三、Multisim 11.0結合項目教學法在“電路分析”教學中的應用實踐

“電路分析”主要內容之一是研究電子電路各節點的電流電壓關系，Multisim 11.0特有的測量工具Measurement Probe（測量探針）[8]，具備了這一強大功能，可以利用Multisim 11.0這一特性設計項目。

1.確定項目任務，編寫《項目任務書》

舉例項目任務：利用Multisim 11.0的測量工具Measurement Probe學習基爾霍夫電壓定律（KVL）和基爾霍夫電流定律（KCL）[9]。測試圖1電路中各回路的電壓及各節點電流，驗證基爾霍夫電壓定律（KVL）和基爾霍夫電流定律（KCL）。該項目可分解為3個子任務。

子任務1：Measurement Probe的學習及使用。

子任務2：基爾霍夫電壓定律（KVL）的學習。分別測試圖1中閉合回路1-2-3-0-1，2-5-4-3-2，3-4-5-0-3，1-2-5-0-1的電壓降的代數和是否為零，符合基爾霍夫電壓定律（KVL）。

子任務3：基爾霍夫電流定律（KCL）的學習。分別測試圖1中流入節點2、3、5電流總和是否等于流出節點2、3、5的電流總和，符合基爾霍夫電流定律（KCL）。

2.布置項目任務

分發項目任務書，講解項目要求，使各小組明確學習任務和要求。

3.各工作小組擬訂活動方案，教師審核方案

如該項目的活動方案：首先搞清楚圖1中7個Measurement Probe分別顯示的內容，掌握探針的使用；其次搞清楚如何求閉合回路的電壓降，鞏固KVL知識點；最后搞清楚如何求流經節點電流的總和，鞏固KCL知識點。

4.項目小組的活動實施，學生動手實踐

學生通過查閱資料、教師輔導、相互討論等形式自主獲取課題的相關知識、資料，并整理、取舍資料，進行項目任務的驗證和設計。

如實施該項目子任務1，通過學生的自主學習、相互討論和教師輔導，基本掌握Measurement Probe的使用。圖1中共7個Measurement Probe，每個Probe顯示的內容依次為：總電壓（V），交流電壓峰峰值（V（p-p）），交流電壓有效值（V（rms）），直流電壓（V（dc）），總電流（I），交流電流峰峰值（I（p-p）），交流電流有效值（I（rms）），直流電流（I（dc）），交流頻率（Freq）。

掌握Measurement Probe后，對完成整個項目非常便捷，以子任務2為例，驗證閉合回路1-2-3-0-1：

（1）

由圖1可知：

（2）

（3）

（4）

（5）

由式（2）～（5）得：，閉合回路1-2-3-0-1符合基爾霍夫電壓定律（KVL）。

子任務3以節點2為例，驗證：

（6）

其中：

（7）

由式（7）得：

（8）

誤差是由于Measurement Probe顯示3位有效數造成，符合基爾霍夫電流定律（KCL）。

5.項目答辯與師生評價。在此階段，通過“項目成果匯報、學生自我評估、組別互評、教師點評、師生共同總結”等程序完成對各小組項目任務完成的評價。

6.歸檔或項目結果應用。項目教學總結，并把項目工作的結果歸檔或應用到企業和學校的生產教學實踐中去，以使項目工作的結果盡可能具有實用價值，指導后續工作。

此外，對該項目進行拓展，還可以利用測量探針得到的電壓電流值，學習并鞏固疊加定理，置換定理，互易定理等重要電路理論。

四、實踐結果分析

“電路分析”課程期中、期末都組織了考試，本次調查選取了同年級的電子科學與技術專業和信息工程專業兩個班級分別作為教改班和普通班，兩個班級總人數分別為39人、41人，就期中、期末成績進行了對比分析。具體分析如表1所示：

表1 教改班與普通班期中、期末成績各分數段對比

分數100～90分89～80分79～70分69～60分60分以下

班級教改班普通班教改班普通班教改班普通班教改班普通班教改班普通班

期中人數44651616101333

期中人數/班級總人數10.269.7615.3812.1941.0339.0225.6431.717.697.32

期末人數85107161521133

期末人數/班級總人數20.5112.1925.6417.0741.0336.595.1326.837.697.32

由表1可知，教改班和普通班從期中到期末考試中各個分數段的人數差異逐漸增大。由此可見，將Multisim 11.0結合“項目教學法”應用于“電路分析”教學中產生的作用是逐步體現的。

從期中成績可知，教改班和普通班各個分數段的學生人數所占班級總人數百分比的差別不大。但期末成績變化很明顯，觀察各個分數段，教改班100～90分、89～70分和79～70分三個分數段的學生人數所占班級總人數百分比都比普通班的多，分別高出8.32%、8.57%、4.44%；而69～60分這一分數段教改班學生人數明顯少于普通班，百分比低了21.70%；60分以下分數段兩個班學生人數差別不大，并且從期中到期末考試學生人數所占班級總人數百分比沒有改變，這一現象說明在教學中應用Multisim 11.0結合“項目教學法”可以提高大部分學生的學習成績，但是對于小部分成績相對差的學生效果不明顯。分析主要原因是因為工科學生在學習態度、學習方法等各方面的差異較大，本課題采用的教學方法對大部分學生都起到了良好的教學效果，但個別學生的學習習慣較差、態度不端正，學習主動性低，僅靠教學方法的改變來解決這一問題是不現實的。

五、結論

將Multisim11.0與項目教學法結合應用于“電路分析”課堂教學中，生動、直觀、方便、有趣，實現理論與實踐一體化。實踐結果表明：該方法能夠激發學生的積極性，加深學生對相關知識的理解，優化課堂教學效果的同時提高學生的動手能力，促進了學生學習的興趣。

該教學方法也有其不可避免的缺點：如對個別成績差的學生效果不明顯，另外，學生的精力全部集中于Multisim11.0軟件的操練和項目的設計上，運用完每個知識點后沒有太多時間去理解鞏固，某些知識雖然會用，但沒有從根本上徹底掌握。

改進措施：任何教學方法都不能離開教師的主導作用，運用該教學方法的同時，也要注意與其他教學方法有機結合，比如傳統的教學方法，主要知識點以教師講授為主，發揮教師的主導作用，同時保持學生的主體地位，給學生更多的想象空間，更長的認知過程，使課堂教學氣氛更活躍。

參考文獻：

[1]Barry Paton.電子學教育平臺實驗教程-NI ELVIS Ⅱ，Multisim， LabviewTM[M].America：National Instruments Corporation，2009.

[2]顧明遠.國家中長期教育改革和發展規劃綱要解讀[M].北京：北京師范大學出版，2010.

[3]邱關源.電路[M].北京：高等教育出版社，1999.

[4]Tracy Shields.教學思路實踐-使用Multisim 10[M].America： Electronic Workbench Corporation，2009.

[5]徐赟.從理論到實現——圖形化系統設計助力工程教育創新[C].北京：第六屆NI高校教師交流會，2010.

[6]張志友.Multisim在電工電子課程教學中的典型應用[J].實驗技術與管理，2012，29（4）：108-114.

[7]張華燕.電子技術課程項目教學活動設計與評價[J].中國職業技術教育，2013，（8）：37-41

[8]National Instruments. Pausing Simulation with the Measurement Probe in NI Multisim [EB/OL].[2010-08-01].http：//www.ni.com/white-paper/3764/en/.

[9]譚立新.電路基礎——基于項目導向[M].長沙：中南大學出版社，2011.

（責任編輯：劉翠枝）