Multisim14.0軟件在物聯網應用技術專業《電路分析》課程教學中的應用探析

胡潔

◆摘? 要：《電路分析》是物聯網應用技術專業一門專業基礎課程，對學生后續物聯網硬件系統核心課程的學習至關重要。但《電路分析》課程理論性強，知識點多，學時短，學生基礎參差不齊，導致課堂教學效果不佳。為此，我們將Multisim14.0仿真軟件應用到《電路分析》課程教學中，通過以戴維南定理為例進行課程教學案例的設計結果表明，Multisim14.0仿真軟件可以將抽象的理論知識直觀化、具體化，激發學生的探索欲，培養學生自主學習的能力，從而提高教學效果和學習效率。

◆關鍵詞：Multisim14.0;仿真;電路分析;戴維南定理

物聯網應用技術是綜合了電子科學與技術、計算機科學與技術、通信工程、控制以及軟件工程等多個學科的信息類專業學科。從2011年全國首批31所高校獲準開設物聯網工程專業至今，設立物聯網應用技術專業的高職院校日益增多，為面向物聯網應用軟件開發、物聯網系統測試與實施、單片機軟件開發等崗位群培養了大量高素質技術技能型人才。《電路分析》是物聯網應用技術專業人才培養方案中的一門專業基礎課程，后續與《電子技術》《嵌入式系統》等課程相結合融入整個物聯網應用知識體系內，是學生掌握物聯網系統軟硬件實施和測試必備的理論與應用知識。但《電路分析》課程知識點多，理論性強，涉及大量繁雜的數學推導，電路分析方法靈活多樣又彼此關聯。這就要求學生不僅具有識讀電路圖并熟練運用常見電子儀器儀表的能力，還需要有一定的分析計算電路的能力。該課程的學習效果對學生物聯網硬件系統核心課程的學習至關重要。

一、高職物聯網應用專業《電路分析》課程教學現狀與問題

《電路分析》這門課程主要特點如下：①涵蓋知識點多，不僅包含了電路的基本概念與定理、直流電路的分析與應用，還包括了一階線性電路、變壓器的結構與特性、三相交流電路以及正弦交流穩態電路的分析與應用等。②與高中物理知識聯系緊密。③概念較多，涉及的理論知識較為抽象。④計算量大，而物聯網應用專業的學生適應了其它專業課程界面化操作的模式，對計算的普遍不敢興趣。

目前，大部分高職院校《電路分析》課程設置在大一上學期，教學主要存在的問題如下：①傳統教學模式占主導。在傳統的教學過程中，主要強調怎樣去理解原理、推導公式、分析計算，這種強調知識而忽略體驗的教學過程，普遍導致學生學習興趣不高、教學效果欠佳。②課時不充足。目前該門課程的教學主要以理論課程為主，總課時僅24個課時，課時有限而所需掌握的理論知識點多，教學難度大。③學生基礎差異化明顯。高職物聯網應用技術專業招生基本都為文理兼招的模式，使得大量的文科生也進入到該專業學習，這部分學生的高中物理知識尤其是電路與磁路的知識相對薄弱。相比理科生，文科生學習《電路分析》課程難度相對較大。④實驗條件不滿足。高職院校往往實驗設施有限，要做到人人動手搭建電路，需配備合格的實驗管理人員，且依然存在觸電、漏電的安全風險。

二、Multisim14.0仿真軟件簡介

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的基于Windows平臺的一款仿真工具，可以方便的對各種電子電路進行設計、仿真和測試，電路分析功能強大。與其他同類型的仿真軟件相比具有以下優點：①圖形界面直觀，操作方便。②具有豐富的元器件庫、信號源庫、儀器儀表庫，并且能夠提供多種強大的電路分析方法，不需要人工計算。③仿真過程沒有實際元器件和儀器儀表的損耗，成本低、效率高，而且仿真測試通過的電路，可以直接用于實際電路的搭建。④提供PCB設計軟件的文件接口，與Ultiboard14.0軟件無縫對接，方便轉移進行PCB印制電路板設計。⑤與多種辦公軟件系統相兼容。

鑒于此，借助于物聯網專業成熟的計算機網絡實驗室，將Multisim14.0仿真軟件應用到《電路分析》的課程教學中，打破固有的授課方式，將“教師教，學生學”的單一的授課模式轉變為“學生探索，教師輔導”的新體驗，且不受時間、空間限制，極大的拓展了學生的學習思路，用實踐反證理論，提高教學效果和學習效率。

三、《電路分析》課程教學設計案例

《電路分析》課程在直流電路的分析與應用部分介紹了多種電路的分析方法，包括支路電流法、網孔分析法、節點電壓法、疊加定理、戴維南定理、諾頓定理等。其中，戴維南定理是電路的等效變換中最重要的一種，可將任何復雜電路轉換為等效的雙端電路，在電路分析中占有重要地位。其內容為：任何一個有源線性二端網絡，對其外部電路來說，都可以用一個電壓源與電阻串聯的電路等效代替。其中，電壓源的電壓等于有源線性二端網絡的開路電壓;電阻等于有源線性二端網絡內部所有獨立電源作用為零時（電壓源以短路線代替，電流源以開路代替）的等效電阻（也稱輸入電阻）。這里涉及的概念較多，很多同學感覺晦澀難懂，或者只會生搬硬套去做題，不能從根本上分析理解電路。

以戴維南定理的學習為例，我們借助Multisim14.0仿真軟件講解如何應用戴維南定理求解圖1所示電路中通過R3的支路電流I3，以及R3兩端的電壓U3。

1.教師下發學習任務書

任務名稱：學習戴維南定理

操作步驟：

（1）在Multisim軟件窗口建立如圖1所示的電路，并標清楚待求解支路的電流參考方向。

（2）建立如圖2所示測量電路，在電阻R3支路引入直流電流表和直流電壓表，注意儀表的極性要與參考方向一致。

（3）啟動Multisim軟件的仿真按鈕，仿真結果如圖3所示。在表1中記錄電阻R3支路電流I3及R3兩端的電壓U3。關閉仿真功能。

（4）新建電路，如圖4所示，并按圖示接好直流電壓表，啟動仿真功能，測得UAB=7V。

（5）新建電路，如圖5所示，并按圖示接好萬用表，選擇歐姆檔測量電阻。啟動仿真功能，測得A、B兩點間的等效電阻RAB=4.8Ω。

（6）新建電路，如圖6所示，將UAB和RAB串接在R3兩端，將直流電壓表和直流電流表按照圖示接入電路。再次啟動仿真功能，并將仿真結果記錄于表1中。

2.學生按照任務書操作并討論

首先，學生熟讀任務書，按照指令要求完成步驟（1）（2）（3）后，教師提問：該操作的目的是什么？學生動手操作后知道，該步驟是用實驗的方法直接測量待求支路電流和電壓，沒有用任何電路分析方法。

然后，按指令操作步驟（4）時，請同學說出圖4與圖2的區別。學生很快指出，待求支路電阻R3被移除。教師提示學生，這是將待求支路開路，移除待求支路，電路剩余部分可視為一個有源二端網絡，測量此時二端網絡的開路電壓UAB。此時還要注意引導學生對幾個名詞進行理解和區分：二端網絡、無源二端網絡、有源二端網絡。

其次，按指令操作步驟（5），繼續引導學生觀察圖5與圖4的區別，學生發現此時有源二端網絡內，只有電阻，沒有電源。教師適時引導學生觀察發現，電壓源原位置被一根短路線代替。這是將電壓源置零，測該二端網絡的等效電阻RAB。若是電流源置零，則是以開路代替。

最后，操作步驟（6）時，引導學生觀察圖6與圖3的區別，學生發現原電路除待求支路之外的有源二端網絡部分全部被一個電壓源UAB和內阻RAB代替。兩次仿真，在表中記錄測量結果。

3.仿真結果討論

對于記錄下的仿真結果，學生很清楚的可以發現，圖6和圖3兩種情況下測得的R3支路電路I3和R3兩端電壓U3完全相同，I3=1A，U3=2.2V。圖6可視為圖3的等效電路圖，從而引導學生得出結論：任何一個有源線性二端網絡，都可以用一個電壓源與電阻串聯的電路等效代替，這就是戴維南定理。

4.分析計算

《電路分析》課程教學重點還是在要求學生掌握電路的分析計算上，實驗或仿真只是在輔助學生理解電路分析的方法，將復雜的理論直觀化。因此，在學生了解了戴維南定理之后，還要引導學生如何去分析計算，圖1的計算步驟如下：

（1）將待求支路電阻移開，在A、B兩點間視為一個有源二端網絡，計算有源二端網絡的開路電壓UAB，可用基爾霍夫電壓定律求解。

（2）將有源二端網絡內部所有電源置零，作等效電路圖，計算二端網絡內的等效電阻RAB。

（3）作出有源二端網絡的等效電路圖，等效電路中電源電動勢E=UAB，電源內阻r=RAB。然后在等效電路兩端接入待求支路電阻，用歐姆定律計算待求支路電流量和電壓量。可以發現，分析計算的結果與之前電路仿真結果一致。

分析計算過程結束后，請學生自行總結運用戴維南定理求解電路時的步驟，最后，教師點評修正。

四、結論

從戴維南定理的教學設計案例可見，Multisim14.0仿真軟件的應用對《電路分析》課程教學起了事半功倍的作用。一方面，軟件可以直觀的方式將晦澀難懂的定理、定律用仿真圖形、數據呈現結果，增強了學生對實操的體驗感，讓原本枯燥的課堂變得生動有趣。另一方面，軟件仿真的教學設計可打破固有課堂時間和空間的限制，僅需一臺電腦學生課后依然可以進行電路的仿真與測試，進一步增強學生對知識的探索欲。

把Multisim14.0仿真軟件融入到《電路分析》課程的教學中，不僅在有限的學時內提高了學生的學習效率，而且提升了教師的專業技能，在教師主導、學生主體的教學模式下，逐步提高教學質量，培養具備扎實理論知識和嫻熟專業技能的物聯網應用人才。

參考文獻

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