Mutisim軟件優(yōu)化“電路分析基礎(chǔ)”課堂教學

李亞寧

（空軍工程大學 電子技術(shù)教研室，陜西 西安 710051）

1 教學現(xiàn)狀分析

“電路分析基礎(chǔ)”是空軍工程大學電子類、機電類本科生必修的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其理論性很強，講述的是電子技術(shù)中最基本的理論和最有代表性的電路。它擔負著普及電路基礎(chǔ)知識和為后續(xù)專業(yè)課程打基礎(chǔ)的雙重任務(wù)。

“電路分析基礎(chǔ)”課程教學一般由理論教學和實驗教學兩個環(huán)節(jié)構(gòu)成。在目前的教學模式下，理論和實驗課教學存在著一定的弊端，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：（1）實驗教學和理論教學是分開進行的，而這兩個環(huán)節(jié)在課程教學進度的編排上是分開的，理論課按照自己的進度實施，實驗課也是如此，所以經(jīng)常會出現(xiàn)理論課學完了，對應(yīng)的實驗還沒開始，有時實驗已經(jīng)做了，而理論還沒學到，這就造成了兩者之間的脫節(jié)。（2）在傳統(tǒng)實驗教學模式下，驗證性實驗占大部分比重，學生只要按照實驗指導書給出的電路和步驟操作即可完成實驗，學生做完實驗對電路的理論知識仍然是一知半解。由于學時的限制，實驗的內(nèi)容相對固定，實驗室就不能對課堂上的知識點逐一進行驗證，實驗室里完成一個實驗一般需要2～3個學時，對于一些復雜的電路和抽象的知識點，學生就很難按時、按質(zhì)、按量完成實驗，從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)不全，課后學生對實驗結(jié)果不能全面分析，就造成了“理論學不懂，實驗做不動”的局面[1]。

2 利用仿真軟件輔助課堂教學

運用仿真軟件教學，可以任意設(shè)計電路、觀察運行狀況、進行數(shù)據(jù)分析，學生對教師講解的內(nèi)容能非常直觀地看到、理解，并且可以嘗試進行修改，增加了教與學的互動。

Multisim最初是由加拿大IIT（Interactive Image Technologies）公司推出的電路設(shè)計與仿真軟件。它提供了豐富的元件庫，提供了包括示波器、頻譜分析儀等多種虛擬儀表；它具有完備的分析手段，如交直流分析、動態(tài)分析、瞬態(tài)分析、噪聲圖形分析等多種分析手段，基本上能滿足一般電路設(shè)計與仿真的要求；它圖形界面簡單、直觀易用，電路圖的建立、仿真、分析和結(jié)果顯示均在同一環(huán)境中完成，不必在不同的程序間進行切換。

在“電路分析基礎(chǔ)”課堂教學中引入Multisim仿真軟件，突破了時間和空間的限制，學生可以在課后時間繼續(xù)進行研究，做到了實驗進課堂；從另一個層面上來講，在理論課上引入虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)，拓展了學生的知識面。掌握一種功能強大、應(yīng)用廣泛的虛擬實驗軟件并將其應(yīng)用于將來的工程實踐，是電氣工程師在實際工程設(shè)計和實驗中常用的手段，先在虛擬實驗中對電路的原理、可行性、功能等一系列指標進行仿真分析和驗證，根據(jù)仿真實驗所得到的結(jié)果和結(jié)論再修改設(shè)計并進行實物實驗并最終獲得產(chǎn)品，將來學生在實際科研項目或畢業(yè)設(shè)計中都需要用到這種模式，從而將能力培養(yǎng)與素質(zhì)培養(yǎng)真正落到實處[2]。

3 實施過程舉例

科學、合理、有效地選擇教學方法，對教學效果至關(guān)重要。Multisim仿真軟件加入“電路分析基礎(chǔ)”課堂教學后，仿真環(huán)節(jié)的設(shè)置需要老師進行合理的安排，這個環(huán)節(jié)是對老師的考驗。在教學過程中，靈活地將虛擬實驗與理論教學結(jié)合起來，比如先講理論，再通過虛擬實驗加以驗證，也可以先通過虛擬實驗讓學生看到一種現(xiàn)象，然后帶著問題進入理論的學習中去，最后再回到實驗中獲得最直觀的理解和體驗。當學生對電路相關(guān)理論以及虛擬仿真軟件有了一定的了解后，就可以給學生布置擴展的內(nèi)容，由學生課下去做進一步的發(fā)掘和研究，以提高他們的綜合能力[3]。

3.1 案例1：疊加定理

根據(jù)疊加定理理論描述，搭建如圖1所示電路。圖中3個電流表分別測量了電源共同作用和單獨作用時，所求支路電流的大小，其代數(shù)和滿足疊加定理。

得到直觀的展示后，再解釋疊加的本質(zhì)即可加性和比例性。利用此性質(zhì)，在線性電路中，可將復雜的電路轉(zhuǎn)換為若干個簡單電路之和，或?qū)㈦娐分械慕庾兞吭O(shè)為已知，利用電路中的比例關(guān)系求出該變量。在電路分析中，這是一種重要的分析方法，利用這種思想可以避免列方程，簡化求解過程。

圖1 根據(jù)疊加定理理論描述搭建的電路

3.2 案例2：RLC串聯(lián)電路（全響應(yīng)）

當電路中含有兩個獨立的動態(tài)元件時，這樣的動態(tài)電路稱為二階電路，搭建如圖2所示電路。

圖2 二階電路

和一階電路不同，這類電路的響應(yīng)可能出現(xiàn)震蕩的形式。當初始儲能和外加激勵共同作用時，響應(yīng)為全響應(yīng)，即零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)的疊加。零狀態(tài)響應(yīng)和外加激勵具有相同的形式，而零輸入響應(yīng)可分為過阻尼、臨界阻尼、欠阻尼、無阻尼4種情況，兩者疊加即為全響應(yīng)的結(jié)果。

這個過程講起來費事，學生也是云山霧繞不明所以。如果把實物實驗帶進課堂，所需設(shè)備準備、調(diào)試麻煩，也不便于全體學生觀察，我們就用Multisim軟件制作了一個RLC串聯(lián)電路，通過投影設(shè)備演示出來。在電路輸出端連接一臺虛擬示波器，以觀察產(chǎn)生信號的波形。從虛擬示波器上可以直接觀察到電路的各種狀態(tài)[4]。

調(diào)整電阻R的值，可以觀察到過阻尼、臨界阻尼、欠阻尼、無阻尼4種情況。

在理解電路原理的基礎(chǔ)上，可以適時加入幾個簡易電路小制作、知識拓展、實際應(yīng)用電路等，既有助于鞏固學生對基本電路原理的認知，又能培養(yǎng)學生自主學習的習慣，激發(fā)學生創(chuàng)造的熱情[5]。

4 結(jié)語

對于理論教學來說，將Multisim引入電路分析基礎(chǔ)教學中，利用其強大的仿真功能，對課程的重點、難點電路進行電路仿真，利用虛擬儀器儀表和仿真分析法可以得到電路的實驗數(shù)據(jù)和響應(yīng)曲線，大大加深了學生對基本概念的理解。

對于實驗教學來說，擺脫了完全依賴實驗室的困境。硬件實驗和軟件實驗相結(jié)合，在實驗方法和內(nèi)容上互為補充，讓學生可以系統(tǒng)地完成該課程的所有的實驗，從而提高教學質(zhì)量。

Multisim仿真軟件的引入，對“電路分析基礎(chǔ)”課程的實驗教學和理論教學兩個環(huán)節(jié)，都起到了極大的補充與促進，很大程度上開闊了學生的思維和動手能力，提高了學生學習該課程的興趣和積極性。