虛擬仿真技術在電路課程中的應用

魏偉 張磊 沈陽科技學院 信息與控制工程系

隨著電子設計自動化技術的突飛猛進，Matlab、Altium Designer、PSpice、Multisim 等虛擬仿真軟件已廣泛應用于高校教師信息化教學與實踐中，成為教師日常教學的重要手段和方法。

傳統的電路授課主要采用板書與多媒體相結合，通過知識點的講解及PPT 電路演示進行教學，理論課與實驗課是分離的，沒有結合生產、生活實際，這就導致技能訓練得不到及時的理論指導，學生對電路知識及技能的掌握不到位。

虛擬仿真教學是利用計算機硬件及軟件共同模擬出真實的電路環境，通過人機交互設計，結合生活實際中的電路現象和規律作為課堂案例，提煉出問題情景，讓學生如置身真實環境般在虛擬環境中進行互動。通過仿真技術的應用加強理論課程與實際電路間的聯系，從而激發學生的學習興趣，提高解決實際電路問題的能力，使課堂理論教學向應用型實踐教學轉變，提升學生的實踐應用能力。

一、虛擬仿真技術的教學演示功能在理論教學中的應用

《電路》是電氣信息類專業重要的專業基礎課，理論與實踐結合緊密，學生必須對電路的基本原理、基本結構和基本分析方法熟練掌握，才能達到學以致用的目的。在直流部分中，對基爾霍夫定律、疊加定理、戴維寧及諾頓定理的掌握尤為重要。在課堂教學設計中，以實際問題為驅動，抽象出具體電路，按照定理分析思路，依托虛擬仿真平臺，采用共同探討電路規律和現象的教學新模式，解決學生聽課過程中的疑問，能夠使師生之間的交流更加便捷，使學生充分體驗電路規律的認知過程。

例如在講解疊加定理時，學生對功率不能疊加這一注意事項往往帶有疑問。教師授課時也會通過公式推導加以證明，但學生理解有限。此時可借助虛擬仿真技術，采用Multisim 仿真軟件進行生動說明。如圖1 所示：

圖1 Multisim 仿真示例

該電路中，將兩個電源共同作用的電路分解成電源獨立作用的分電路。此時分電路中10Ω 電阻產生的功率分量分別為3.6W、10W，其和并不等于原電路中10Ω 處的1.6W。通過仿真軟件，可以直觀地顯示結果。

此外，當電路中存在多個電源時，學生通常也對電路中電流的實際流向感到疑惑。此時亦可運用仿真軟件EveryCircuit，如圖2 所示，將能流生動地展現在學生面前，能夠有效的提高教學效率及教學質量。

圖2 EveryCircuit 仿真示例

二、虛擬仿真技術的電路設計功能在實踐教學中的應用

高校實驗室中，電路實驗設備通常存在設備老舊、實驗內容單一，實驗項目往往以驗證性為主，缺乏對學生自主設計性實驗的考查[3]。同時，實驗中各組件可能互相干擾，數據精準性難以保證，實驗誤差較大。如果學生電路設計的不合理，還會出現儀器損壞等情況，增加設備維護費用。

虛擬仿真器件與實物器件相比有較高的相似度，絕大部分實物器件均可在元器件模型庫中找到。此時只需要根據設計的電路原理圖，在電路符號庫中輸入相應的虛擬元器件，連接后系統會提取模型參數，自行建立電路方程并進行求解。點擊輸出環節，如電壓表、示波器、頻率計等，查看數值、波形等輸出結果。若滿足實驗要求，即可在實驗設備上連線，提高實驗的成功率，彌補真實實驗中儀器的不可控因素，同時也是對實驗結果直觀的驗證。

此外，在電子電路課程設計中，虛擬仿真技術也有廣泛的應用前景。主要優勢在于：第一，可以彌補實踐設計教學中對硬件的極度依賴，避免實際電路過流或過壓造成器件的損毀，安全可靠，準確率高。第二，仿真實驗過程簡潔高效，可隨時更換虛擬元器件，及時排查分析故障，在仿真環境中進行器件修改，簡便易行，效果明顯。第三，仿真結果可信度較高，減少元器件損耗，降低開發設計成本。

三、《電路》虛擬仿真技術與超星學習通的融合模式

超星學習通基于互聯網的實時、交互、多媒體遠程教學，是一個功能強大的網絡多媒體通訊平臺。教師可將虛擬仿真課件或微課上傳平臺與學習通相融合。

首先，圍繞授課內容，直流部分依托基本定律及基本分析方法搭建虛擬仿真實驗平臺，交流部分以單相及三相電路為主，側重于波形及數值的仿真分析。將軟件程序上傳課程平臺，供學生下載學習；其次，在平臺導入基于生活實際電路模型，學生課下對電路功能進行仿真，師生在平臺上雙向交流，探討問題，改進不足，實現理論與實踐教學的有機結合，增強學生的實踐操作能力與分析能力，促進向應用型教學的轉型。

四、結束語

《電路》課程是電氣信息類專業一門重要的專業基礎課程，對學生工程應用能力及創新思維的培養具有關鍵作用。將虛擬仿真技術應用到電路教學中，是現代化教學的重要手段。通過提煉規律-上升理論-總結實踐的教學方式，結合虛擬仿真技術，可以直觀、生動地展現電路規律及電路特性，激發出學生求知欲和實踐探索精神，實現應用型人才培養的目標。