虛擬仿真軟件在高校電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

曹海燕 張大維

摘? 要：順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代教學(xué)主體、教學(xué)資源與教學(xué)媒介等要素的變革與發(fā)展，高校教師均在探索符合自己學(xué)校需求的線上+線下混合式教學(xué)方法。針對中國傳媒大學(xué)南廣學(xué)院電子技術(shù)類課程目前教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題，提出了將Multisim仿真軟件引入到課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并通過具體實(shí)例來說明Multisim虛擬仿真軟件在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用和優(yōu)勢。同時(shí)在目前“停課不停教，停課不停學(xué)”的網(wǎng)絡(luò)授課過程中加以應(yīng)用，為后續(xù)的課程教學(xué)改革提供了一種教學(xué)思路和方法。

關(guān)鍵詞：Multisim;虛擬仿真;電子技術(shù);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：TP391.9;G712? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）07-0183-04

Application of Virtual Simulation Software in the Teaching

of Electronic Technology in Universities

CAO Haiyan1，ZHANG Dawei2

（1.School of Communication Technology，Communication University of China，Nanguang College，Nanjing? 211172，China;

2.Academic Department of Communication University of China，Nanguang College，Nanjing? 211172，China）

Abstract：Conform to the transformation and development of the main elements of teaching，teaching resources and teaching media in the “internet plus” era，most teachers are exploring online and offline hybrid teaching methods that meet the needs of their own universities. In view of the current teaching situation and problems of electronic technology courses in our school，this paper presents a methodology to apply Multisim virtual simulation software into experimental teaching. The application and advantages of Multisim virtual simulation software in practical teaching are illustrated by specific examples. It is applied in the network teaching process of “no stop teaching，no stop learning”，It also provides a kind of teaching thought and method for the following teaching reform.

Keywords：Multisim;virtual simulation;electronic technology;experimental teaching

0? 引? 言

我?，F(xiàn)有電子信息類廣播電視工程、通信工程、電子信息工程專業(yè)和計(jì)算機(jī)類計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)字媒體技術(shù)、智能科學(xué)與技術(shù)共計(jì)6個(gè)專業(yè)，電子技術(shù)課程是上述專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。是學(xué)生硬件類課程的基礎(chǔ)，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、各類計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)競賽以及從事硬件類工作、科研提供了重要的保障。長期以來，課程的主要任務(wù)就是掌握電子電路的基本原理，強(qiáng)調(diào)電路的分析方法與設(shè)計(jì)研究，尤其是注重學(xué)生掌握電子電路器件的外部特性與實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。因此，如何緊跟電子技術(shù)的發(fā)展，搞好課程教育和教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量，是高校教師一直研究的內(nèi)容文章文結(jié)合學(xué)校的實(shí)際，提出在電子電路課程的教學(xué)中引入虛擬仿真軟件，輔助理論教學(xué)、補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用到課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)競賽，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

1? 虛擬仿真軟件在電子技術(shù)教學(xué)中的可行及必要性

在電子技術(shù)課程的教學(xué)中，由于該課程工程實(shí)踐性強(qiáng)，需要理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和科技創(chuàng)新能力。教師既需要在課堂上進(jìn)行一些簡單必要的演示實(shí)驗(yàn)來引導(dǎo)學(xué)生掌握理論知識點(diǎn)，也需要讓學(xué)生課后實(shí)際動手實(shí)驗(yàn)實(shí)踐。因此，在工科教學(xué)過程中實(shí)驗(yàn)環(huán)境或不可缺。傳統(tǒng)的課程教學(xué)采取課程實(shí)驗(yàn)定制電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱，并需要配備相應(yīng)的信號源和測量儀器等多個(gè)儀器。但是定制實(shí)驗(yàn)箱的電路元器件參數(shù)被限定了，更換不同參數(shù)的元器件不方便，對于一些擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)存在一定的局限性;并且由于我校為傳媒類院校，對工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的投入資金有限，不可能購買所有能用到的實(shí)驗(yàn)箱和儀器儀表;而且學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中不能夠完全掌握元器件在電路中的作用，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中會發(fā)生元件參數(shù)錯(cuò)誤、電路連線錯(cuò)誤、儀器儀表使用錯(cuò)誤等，導(dǎo)致儀器儀表損壞;由于不可避免的情況，無法正常線下授課學(xué)習(xí)，只能網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的情況下，師生均采購實(shí)驗(yàn)設(shè)備是不切實(shí)際的事情。綜合上面幾點(diǎn)考慮，如果能有一種虛擬仿真軟件，有豐富的元器件庫和儀表資源、能夠方便修改元器件參數(shù)進(jìn)行電路分析等相關(guān)功能的軟件，可以針對性地解決上述問題。而Multisim軟件能夠滿足以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需求。[1]

2? Multisim軟件主要功能和優(yōu)點(diǎn)

Multisim是美國國家儀器（NI）公司推出的電子電路仿真軟件，它用軟件的方法虛擬電子元器件以及各類電子電工儀表，通過軟件將元器件和儀器融為一體，能滿足中小規(guī)模的模擬、數(shù)字邏輯以及混合電路的仿真需要，軟件的主要特點(diǎn)如下。

2.1? 圖形界面直觀易用

該軟件的操作界面延續(xù)了EWB軟件的實(shí)驗(yàn)工作臺的特點(diǎn)，可以像在紙上繪制電路圖一樣，利用鼠標(biāo)直接拖拽電路元件和測試儀器放置在界面上，并可以直接用鼠標(biāo)劃線構(gòu)成導(dǎo)線連接元件。

2.2? 豐富的元器件和測試儀器

該軟件元件和儀表資源非常齊全，提供了當(dāng)前國際主流元件商提供的一萬多種元件，并且可以通過設(shè)置修改元件的基本參數(shù)，甚至可以在設(shè)計(jì)過程中創(chuàng)建自己需要的新的元器件。測試儀器庫的測試儀器也很齊全，涵蓋目前市面常用的測量儀器，并且面板設(shè)置跟真實(shí)儀器非常相似，使用方法一樣。

2.3? 強(qiáng)大的仿真和電路分析功能

該軟件具有較強(qiáng)的電路仿真和分析功能，可以提供電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域和頻域分析、線性和非線性分析等多種電路分析方法;還可以設(shè)計(jì)、測試和演示各類電子電路，包括電路基礎(chǔ)、模擬電子電路、數(shù)字電子電路、高頻電子電路及部分微機(jī)接口電路等。

基于該軟件的上述特點(diǎn)，在高校電子技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，可以利用仿真軟件檢測設(shè)計(jì)電路的正確與否，及時(shí)排查錯(cuò)誤。相對于利用實(shí)際硬件驗(yàn)證，提高了效率，節(jié)省了時(shí)間，避免了實(shí)際原材料的消耗和浪費(fèi)，節(jié)約成本。并且在仿真的過程中，可以快速修改參數(shù)，及時(shí)觀察出電路的輸出情況，理解不同元件、不同參數(shù)對整個(gè)電路的影響，加深對實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的理解，掌握理論知識。[2]

3? Multisim在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

基于Multisim軟件在電子技術(shù)課程中采用虛擬仿真教學(xué)法，不僅可以及時(shí)將抽象的概念形象化，還可以將一些學(xué)習(xí)方法等以動態(tài)方式體現(xiàn)出來，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)理解的難度，拉近了課程教學(xué)目標(biāo)與市場需求的距離;還可以根據(jù)需要隨意控制，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果反復(fù)重現(xiàn)，大大提高了課堂教學(xué)效率，也可以由學(xué)生自己動手得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提高了學(xué)生的工程應(yīng)用能力，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了有效激發(fā)和提高。

3.1? 基于Multisim軟件的實(shí)驗(yàn)方法

學(xué)生在電子技術(shù)的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)過程中，利用Multisim仿真軟件來驗(yàn)證和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，需要遵循如下的步驟，如圖1所示。

首先分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)任務(wù)需求，根據(jù)電路功能確定實(shí)驗(yàn)方案并選合適的元件，設(shè)計(jì)電路原理圖。然后在Multisim仿真軟件中搭建好電路模型，設(shè)置好元件參數(shù)并仿真。如果仿真結(jié)果不正確，則需要分析錯(cuò)誤結(jié)果，找出電路設(shè)計(jì)的問題，修改設(shè)計(jì)電路圖重新仿真完善。如果結(jié)果正確，則可以記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果、分析數(shù)據(jù)、整理實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊。同時(shí)還可以通過修改電路中元件的參數(shù)，來分析總結(jié)參數(shù)的變化對電路的影響。

3.2? Multisim軟件在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

負(fù)反饋放大電路是模擬電子技術(shù)中比較典型的基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室中，需要進(jìn)行基本放大電路和負(fù)反饋放大電路兩種電路的連接和改接。學(xué)生在連線和儀器使用方面還比較生疏，很難在有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間熟練達(dá)到實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證的目的。可先用Multisim仿真該實(shí)驗(yàn)，能夠使學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有條件的情況下再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物操作連接驗(yàn)證。既保護(hù)了實(shí)驗(yàn)儀器，也提高了學(xué)生電路設(shè)計(jì)的能力，也在特殊情況下解決了沒有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺點(diǎn)。

本例中建立的負(fù)反饋放大電路是一個(gè)帶有電壓串聯(lián)負(fù)反饋的兩極阻容耦合放大電路，如圖2所示。

將圖2電路圖改接，將Rf斷開后分別并在Rf1和RL上，其他連接不動，構(gòu)成不含負(fù)反饋的基本放大電路，如圖3所示。

3.2.1? 放大電路輸出失真的觀察

將上述電路圖的輸入信號的幅度提高10倍，使負(fù)反饋放大電路Ui=100 mV，基本放大電路Ui=10 mV。用示波器觀察輸出波形，如圖4、圖5所示。由輸出波形圖可以看出，如果輸入信號的幅度設(shè)置過大，超出了放大器的放大區(qū)，輸出波形將產(chǎn)生失真。圖5的基本放大電路產(chǎn)生了飽和（削底）失真，圖4的負(fù)反饋放大電路頂部和底部都產(chǎn)生了失真。

3.2.2? 放大電路動態(tài)參數(shù)的測量

調(diào)整輸入信號幅度，在保證示波器監(jiān)視下的輸出波形Uo不失真的情況下，分別測量上述兩幅圖的中頻電壓放大倍數(shù)AV、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。

計(jì)算公式為AV=Uo/Ui;Ri=R1*Ui/（Us-Ui）;Ro=（Uo/UL-1）RL，其中R1=5.1 kΩ，RL=2.4 kΩ。測量及計(jì)算后的數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1的計(jì)算數(shù)據(jù)分析，可以驗(yàn)證到：

（1）與無任何反饋的基本放大電路相比較，此帶有電壓串聯(lián)負(fù)反饋的兩極阻容耦合放大電路的動態(tài)性能的變化：極大地提高了輸入電阻，降低了輸出電阻，降低了放大倍數(shù)。

（2）將輸入信號幅度控制在一定的范圍內(nèi)，放大后的輸出波形均保持為不失真的狀態(tài)，如圖6、圖7所示。

在實(shí)驗(yàn)的過程中，還可以讓學(xué)生利用直流電壓表測量三極管三個(gè)極的靜態(tài)電壓參數(shù);試著改變一些元器件的參數(shù)，看看輸出和靜態(tài)工作點(diǎn)有什么變化;分別增大兩個(gè)電路信號源的輸出幅度至產(chǎn)生輸出失真，觀察反饋對非線性失真的改善情況等等。而這些在沒有電路箱的時(shí)候也很容易實(shí)現(xiàn)，甚至操作上比有電路箱更方便實(shí)現(xiàn)。學(xué)生親自動手畫圖，改動電路，親眼看到示波器值的變化，然后啟發(fā)他們用理論知識去解釋所發(fā)生的現(xiàn)象，就能引起他們對理論學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)動手實(shí)驗(yàn)的樂趣，提高分析問題、解決問題的能力，增加自行設(shè)計(jì)電路的信心。[3]

4? 結(jié)? 論

總而言之，在高校電子技術(shù)類課程的教學(xué)過程中，可以充分利用虛擬仿真Multisim軟件到理論和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中去。Multisim軟件界面清晰，使用簡單，元器件和儀器等電子資源豐富，且可以定期更新下載較新的元器件庫和儀器儀表。在線上、線下的理論、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中均可以進(jìn)行使用，并可以先進(jìn)行預(yù)先仿真設(shè)計(jì)和分析，排查問題后再結(jié)合硬件實(shí)際操作，加深學(xué)生對知識的理解。

參考文獻(xiàn)：

[1] 俞志英.Multisim仿真軟件在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用 [J].信息技術(shù)與信息化，2019（4）：113-114+117.

[2] 豆玉杰，張霞.Ewb在電子電路教學(xué)中的作用 [J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2007（2）：109-110.

[3] 劉景艷，李玉東.Multisim仿真軟件在電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用 [J].中國現(xiàn)代教育裝備，2018（19）：36-39.

[4] 王衍鳳，韓淑玲，李海玉，等.混合式教學(xué)模式下《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì) [J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2019，46（4）：83-84.

作者簡介：曹海燕（1984—），女，漢族，江蘇南通人，講師，碩士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)視覺、多媒體通信;張大維（1984—）， 男，漢族，江蘇淮安人，工程師，本科，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)信息安全、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。