利用仿真軟件輕松突破“電工電子技術”課程重難點

黨智乾， 喬琳君， 曹海紅， 楊春

(西安航空職業技術學院 自動化工程學院， 陜西 西安 710089)

0 引言

電工電子技術課程作為職業院校工科類專業中一門重要公共課程[4]，面向的是全校理工科的學生，相對來說，涉及專業較多，覆蓋面廣。主要包括非電類[5]機械制造、數控、材料控制、能源、汽車及計算機科學與技術專業等，電類的包括通信工程專業、電子信息與工程、自動化、電子科學與技術等。工科類職業院校的85%(以西安航空職業技術學院、陜西工業職業技術學院、陜西國防工業職業技術學院為例)以上的專業均不同程度開設電工電子技術類課程或實訓，電工電子類課程作為專業課的前續課程，對學生專業實踐能力和創新思維能力的培養有著非常重要的意義。課程中的部分概念較為抽象、理論分析過程數學推到復雜、理論概念難以理解，文章針對以上問題就“電工電子技術”課程如何改革進行了探討和研究。

1 復雜問題簡單化

電路結構圖，如圖1所示。

電路的已知電壓源大小為12 V，電阻大小依次為圖中所

圖1 電路結構圖

示，分析圖中五條支路支路電流和A結點B結點的電位VA、VB的大小。

理論分析過程：先列A、B兩點的基爾霍夫電流方程,如式(1)、式(2)。

結點A：

I1-I3-I4=0

(1)

結點B：

I2+I3-I5=0

(2)

將上述方程代入式(1)和式(2)，并代入題目中已知數據，最終可得：I1=4.18 mA，I2=-3.09 mA，I3=3.276 mA。

通過理論分析和仿真分析兩種學習方法的比較，理論分析要求分析7個量，需要列7個方程，代入題目中已知的7個數值，經過復雜的繁瑣運算可得結果。軟件仿真分析中，按照題目要求找到相應直流電源和電阻，添加5個直流電流表和兩個直流電壓表，點擊仿真按鈕，如圖2所示。

圖2 電路仿真結果示意圖

直接顯示5個支路電流和兩個節點電壓。通過軟件的一步仿真，復雜的理論分析變得簡單明了，同時軟件分析也可以對理論分析的結果進行驗證。

2 理論學習深入化

被稱為“電路求解大師”的德國偉大的科學家古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫于1845年提出了穩恒電路網絡中電流、電壓、電阻關系的兩條電路定律，即基爾霍夫定律，基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律，基爾霍夫電流定律內容為：對于電路中的任何一個節點，通過這個節點的電流代數和始終為零。基爾霍夫電壓定律內容為：對于電路中的任何一個閉合回路，這個回路內所有元件上的電壓的代數和始終為零。在我們使用基爾霍夫定律分析電路前，首先要規定支路電流參考方向和回路繞行方向。同學們經常在為什么要規定參考方向和為什么要假設繞行方向這兒出現困惑，除了利用大量的電路分析會有全新的深刻認識外，如果利用軟件進行仿真[6]，則可以通過安培表和伏特表的不同極性的端子接法來解釋這個問題，既直觀又形象，理論上的抽象變為視覺上的形象，理論知識學習得以深化。

需要分析各支路電流時，事先不知道電路中支路的電流方向，要利用基爾霍夫電流定律，必須假設支路電流的參考方向,如圖3所示。

圖3 電路結構圖

在用軟件仿真時，測電流直接接入安培表，軟件中安培表分了4種類型，選擇哪種安培表，可以根據所求支路的電流參考方向選擇安培表，如圖3中支路電流I1,它的參考方向是從下至上，那我們們就要選擇類型安培表，否則仿真顯示結果與理論分析結果相反,如圖4所示。

如果在仿真的過程中可以提前不給學生講解這些，在仿真結束后，同學們就會根據仿真結果與理論不一致提出問題，可以讓他們進行主動思考來解決問題，透過現象看本質，變被動為主動，這樣可以加深參考方向概念的學習，也可以加深電流是矢量的概念的學習。

圖4 電路支路電流仿真結果

3 抽象問題形象化

放大是對模擬信號最基本的處理，單管共射放大電路(NPN型三極管)的仿真電路圖,如圖5所示。

圖5 單管共射放大電路(NPN型三極管)

進行直流工作點分析，采用菜單命令Simulate/Analysis/DC Operating Point，在對話框中設置分析節點及電壓或電流變量,同時可以分析出直流工作點工作狀況。

當靜態工作點合適，并且加入合適幅值的正弦信號時，可以得到基本無失真的輸出，如圖6所示。

但是，持續增大輸入信號，由于超出了晶體管工作的線性工作區，將導致輸出波形失真，如圖7(a)所示。

圖7(b)是進行傅里葉頻譜分析的結果，可見輸出波形含有高次諧波分量。

靜態工作點過低或者過高也會導致輸出波形失真，如圖8所示。

由于基極電阻Rb過小，導致基極電流過大，靜態工作點靠近飽和區，集電極電流也因此變大，輸出電壓Vo=Vcc-icRc，大的集電極電流導致整個電路的輸出電壓變小，因此從輸出波形上看，輸出波形的下半周趨于被削平了，屬于飽和失真。

圖6 單管共射放大電路輸入輸出波形

(a) 輸出波形失真

(b) 傅里葉頻譜分析結果

4 效果分析

借助軟件對“電工電子技術”中的重難點進行了系統化的學習安排，將改革后的項目應用于2018級的機電一體化專業、工業機器人專業、生產過程自動化技術專業。通過改革的實踐，使得“電工電子技術”課程中重點不變，難點的學習變得輕松高效，理論的掌握更加牢固。同時，學習過程中學生對待知識的好奇心大大增強，學生能夠感覺到自己在發現問題后可以解決問題，良好的成就感非常給力。學習主觀

圖8 減小Rb后的失真輸出波形

能動性、實驗過程的創新意識及對自我實驗技能的要求都得到了明顯的改善，學生之間也充分發揮了個人優勢及團隊組織協調能力。通過改革，學生在理論考試成績分布狀況和電工技能證通過率方面都有所提高，參與全國職業技能大賽的成績等級和獲獎數量也得到提升，為培養高技術技能型人才提供了保證。

5 總結

傳統高職院校非電類專業電工電子技術課程內容基礎性強、理論復雜、概念抽象，為了突破電工電子技術課程的重難點，加強學生工程應用能力的培養，以軟件作為工具，重新規劃課程重難點的學習過程，通過使用虛擬儀器達到理論分析簡單化，通過軟件仿真和理論分析相互對比，使得理論學習深刻化，通過波形分析使得抽象問題形象化。利用仿真軟件突破重課程學習的重、難點，培養學生運用技術手段解決工程問題的能力，提高了電工電子技術課程的學習效果，為學生進行之后的專業課程奠定了堅實的基礎。