基于Multisim虛擬仿真的《電路分析》教學(xué)模式探索

彭光含

（湖南文理學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 常德 415000）

基于Multisim虛擬仿真的《電路分析》教學(xué)模式探索

彭光含

（湖南文理學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 常德 415000）

《電路分析》是電子類專業(yè)的基礎(chǔ)課程。針對《電路分析》課程的電磁現(xiàn)象，在教學(xué)改革實施過程中, 借助Multisim軟件進行虛擬仿真，再現(xiàn)電路現(xiàn)象和電路規(guī)律，優(yōu)化《電路分析》課程教學(xué)內(nèi)容體系。達到融合電路分析理論和電路實驗的目的。促進學(xué)生的電路理論知識的理解和掌握，開拓學(xué)生的思維能力，有效提高了學(xué)生對電路知識的理解。

電路分析；教學(xué)改革；Multisim

1 引言

《電路分析》課程[1]是電子信息類專業(yè)最基礎(chǔ)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，采用現(xiàn)代計算機仿真技術(shù)手段，再現(xiàn)電路現(xiàn)象和規(guī)律，探索《電路分析》課程新的教學(xué)模式，加強對學(xué)生實際技能和解決問題能力的培養(yǎng)，是《電路分析》課程教學(xué)改革的目標(biāo)。電路仿真軟件Multisim隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)成為解決、驗證和探究電路現(xiàn)象和規(guī)律的基本方法[2,3]。在《電路分析》課程教學(xué)過程中，采用Multisim仿真技術(shù)，以虛擬仿真實驗驅(qū)動，對《電路分析》課程的教學(xué)方式和手段，教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，電路現(xiàn)象和規(guī)律的探究和驗證進行教學(xué)改革，符合現(xiàn)代教學(xué)發(fā)展的方向和科學(xué)實驗的精神。基于Multisim軟件的虛擬仿真驅(qū)動《電路分析》教學(xué)模式，將虛擬仿真教學(xué)與其他教學(xué)方法相結(jié)合有助于提高課程教學(xué)效果，在《電路分析》課程的教學(xué)中具有重要的意義。

2 《電路分析》課程教學(xué)模式探索

在電路教學(xué)設(shè)計過程中，不僅要加強電路基礎(chǔ)理論的教學(xué)，還要不斷融合相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的最新研究成果。課堂教學(xué)設(shè)計要針對不同的電路現(xiàn)象和電路規(guī)律，思考生活實際的電路問題，設(shè)計相關(guān)的電路虛擬仿真實驗，并創(chuàng)設(shè)電路問題情境，引導(dǎo)學(xué)生不斷探索和不斷質(zhì)疑的科學(xué)精神。因此，在課堂教學(xué)實施過程中，借助Multisim仿真技術(shù)，針對不同的電路知識點，設(shè)計相應(yīng)的電路問題情境，模擬相關(guān)電路現(xiàn)象和規(guī)律的實驗，以及相應(yīng)的電路實驗操作過程，實現(xiàn)電路現(xiàn)象形象化的模擬，讓學(xué)生能夠切實感受到電路的變化和電路設(shè)計的過程，并掌握相關(guān)的操作技能，利用Multisim軟件的優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生基本電路設(shè)計和操作技能，實現(xiàn)理論知識和電路現(xiàn)象表象的統(tǒng)一，克服學(xué)生電路現(xiàn)象和電路分析的思維障礙。提煉了電路課程，濃縮了電路信息量，達到課程系統(tǒng)性與邏輯性融合，使學(xué)生更容易接受，激發(fā)學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

3 基于Multisim虛擬仿真設(shè)計舉例

Multisim是美國國家儀器公司（NI，National Instruments）推出的電子電路虛擬仿真軟件，是一個電路設(shè)計和仿真的工具軟件。能夠提供數(shù)千種電路元器件和虛擬仿真儀器。虛擬儀器界面的操作開關(guān)、按鍵與實踐儀器儀表極為相似，用戶界面直觀，用戶還可以根據(jù)電路設(shè)計需要，擴充相應(yīng)元件庫。Multisim具有超強的電路仿真分析性能，能夠?qū)崿F(xiàn)大多數(shù)電子電路技術(shù)的實驗仿真。為使仿真真實可靠，大多數(shù)采用實際模型。

《電路分析》課程的基礎(chǔ)理論內(nèi)容多，基本概念，基本定理多，因此，采用Multisim仿真技術(shù)，在《電路分析》課程教學(xué)過程中，針對電路的教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)實際電路問題情境，借助Multisim軟件實現(xiàn)不易看到或難以實際體驗的電路現(xiàn)象的模擬，使學(xué)生可以直觀觀察電路演化的復(fù)雜變化過程，增進學(xué)生對電路知識的動態(tài)探究和獲取知識的能力，以虛擬仿真實驗驅(qū)動，讓學(xué)生在模擬的情境下進行電路現(xiàn)象和電路規(guī)律的探究和學(xué)習(xí)。通過仿真技術(shù)的模擬實驗和相應(yīng)的實驗操作，以及電路現(xiàn)象形象化的模擬，讓學(xué)生在教學(xué)過程中追尋知識獲取的過程，讓學(xué)生能夠切實感受到電路的變化和電路設(shè)計的過程，并掌握相關(guān)的操作技能，利用計算機軟件的優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生基本電路設(shè)計和操作技能。下面以《電路分析》課程中的內(nèi)容換路定則為例。換路往往發(fā)生在：電路結(jié)構(gòu)突然變化，電路參數(shù)的突然改變或者電源的突然通斷等電路變換過程。通過筆者多年教學(xué)經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，換路過程中的突變思想和條件，學(xué)生往往難以理解接受，而電路換路分析是判斷初始條件的前提，而初始條件是動態(tài)電路分析得到確定解答的必需條件，因此，換路定則是增強學(xué)生對動態(tài)響應(yīng)特性的正確理解的重點內(nèi)容,也是難點內(nèi)容。

3.1電容換路過程仿真

電容電壓電流關(guān)系如圖 1所示。根據(jù)電容電壓的理論計算：

圖1　電容模型

得到電容換路瞬間的結(jié)論：換路瞬間，若電容電流保持為有限值，則電容電壓換路前后保持不變。學(xué)生對這樣的結(jié)論往往是一種被動的接受，而且需要很強的數(shù)學(xué)理論知識，以及電容電壓電流動態(tài)變化關(guān)系的理解。基于此，可以借助Multisim仿真軟件對這種現(xiàn)象進行仿真說明，仿真結(jié)果如圖2所示。圖2(a)表示電路換路前電容接通電源，使電容帶上12伏電壓。圖 2(b)表示換路瞬間，電源短路，使電容短路。從仿真結(jié)果來看，電容在換路瞬間電容的電壓是不變的。從而通過虛擬仿真實驗的直觀再現(xiàn)，加深了換路前后電容電壓變化的規(guī)律。同時可以引導(dǎo)學(xué)生，這是因為電容的電能與電壓有關(guān)，而能量的釋放，需要時間，從而使換路前后電容電壓保持不變。

圖2　電容換路仿真

3.2電感換路過程仿真

電感的電壓電流關(guān)系如圖3所示。根據(jù)電感電流的理論關(guān)系計算：

圖3　電感模型

得到電感換路瞬間的結(jié)論: 換路瞬間，若電感電壓保持為有限值，則電感電流換路前后保持不變。對于電感這樣的結(jié)論，學(xué)生往往是被動的接受，而且與電容換路的結(jié)論容易發(fā)生混淆。為了使學(xué)生直觀理解，筆者使用了Multisim仿真軟件進行了電路仿真實驗設(shè)計。仿真結(jié)果如圖 4所示。圖 4(a)表示換路前，開關(guān)接通電源時，電感電流為1安。圖4(b)表示換路后瞬間，當(dāng)開關(guān)斷開瞬間，電感的電流依然保持不變。仿真結(jié)果表明電感在換路瞬間，電感電流保持不變。進一步向?qū)W生說明的是，電感的磁能與電流有關(guān)，而能量的釋放，同樣需要時間，從而使換路前后電感電流保持不變。

綜上所述，得到換路定則：電容電流和電感電壓有限的情況下，換路前后，電容電壓和電感電流保持不變。

圖4　電感換路仿真

4 結(jié)語

《電路分析》課程理論性強，電路現(xiàn)象多且復(fù)雜，針對電路的疑難問題，采取Multisim虛擬仿真技術(shù)，通過設(shè)計電路仿真實驗，再現(xiàn)電路現(xiàn)象和規(guī)律，采用動態(tài)演示和循序漸進的探究教學(xué)模式，通過對設(shè)計相關(guān)電路問題，啟發(fā)學(xué)生通過虛擬仿真實驗，大力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)精神，同時培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。同時，新的虛擬仿真技術(shù)運用，也要求教師不斷提高自身素質(zhì)，更新知識體系和內(nèi)涵，不斷樹立創(chuàng)新理念，深挖《電路分析》的教材，運用各種計算機技術(shù)方法，加強教學(xué)改革觀念，使課堂教學(xué)體現(xiàn)求真、釋疑的科學(xué)思想，通過教學(xué)改革，不斷運用新技術(shù)，創(chuàng)新改革教學(xué)模式和教學(xué)方法，激活課堂創(chuàng)造的原動力，提升教學(xué)效果，有力地夯實學(xué)生的基礎(chǔ)，提高學(xué)生的實際能力。

[1] 邱關(guān)源.電路(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2] 楊曉平.Multisim在電路理論教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等函授學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,25(6):79-80,90.

[3] 顏芳,宋焱翼,謝禮瑩,等.基于Multisim的電路原理課程仿真實驗設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(5): 59-62.

Teaching mode exploration of circuit analysis based on multisim virtual imulation

The circuit analysis is a basic course of electronic engineering. To explore electromagnetic phenomenon of circuit analysis course, with the help of Multisim software virtual simulation, it can reproduce the circuit phenomenon and the circuit law and optimize the curriculum teaching content system in the implementation of teaching reform. It can achieve the objective of integrating the circuit analysis theory and circuit experiment. Also, It can promote students to understand and master the circuit theoretical knowledge, develop their thinking ability and effectively improve their understanding knowledge of circuit.

Circuit analysis; teaching reform; multisim

G642.0

A

1008-1151(2015)09-0146-02

2015-08-12

2015年湖南省普通高校教學(xué)改革研究項目立項資助(湘教通[2015]291號,383項), 2015年湖南文理學(xué)院教學(xué)改革研究重點項目(JGZD1504),湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院教改項目(FRjg1415)。

彭光含（1973－），男（侗族），湖南洞口人，湖南文理學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院教授，從事電子教學(xué)研究。