MATLAB仿真在《電路》課程教學中的應用

王河山 羅勇 李忠文 辛健斌

摘? 要：作為電工類專業的核心課程，《電路》的可視化教學與研究對電氣類專業學生后續的學習十分重要。《電路》課程由于其較強的理論性、抽象性和操作性，使得學生在學習時不易直觀理解和貫通。本文將MATLAB仿真軟件引入到傳統的《電路》理論教學過程中，利用仿真軟件的可視化強、可操作性高等優點，以達到激發學生興趣、提升學習效率、增強學生動手實踐能力的目的。

關鍵詞：電路 MATLAB 可視化 教學方法

【中圖分類號】G642.4? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻識別碼】A? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】

Application of MATLAB Simulation in the Teaching of <Circuit>

WANG Heshan? LUO Yong? LI Zhongwen? XIN Jianbin

（School of Electrical Engineering， China. Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan Province， 450001 China）

Abstract： As a core course for electrical majors， the visual teaching and research of <Circuits > course is very important for the follow-up study of electrical students. Due to its strong theory， abstract ion and operability， the course <Circuits> is not easy for students to understand intuitively and coherently while learning. In this paper， MATLAB simulation software is introduced into the traditional theoretical teaching process to take the advantages of strong visualization and operability of simulation software in order to stimulate the students' interest， enhance learning efficiency， and increase their hands-on practical ability.

Key Words： Circuit; MATLAB; Visualization; Teaching method

在電氣工程專業培養過程中，需要涉及具有強理論性、高實踐性和廣泛應用性的課程，以達到使學生充分掌握專業技能的要求。其中，《電路》一直被認為是電力、電氣類專業的主要核心課程，是學生進行后續其他相關課程學習的基礎[1]。但是《電路》課程有著波形調整分析難、電路圖繪制要求細致和公式推導復雜等特點，要求學生具備相關的抽象思維能力和較強的動手能力，從而導致學生不能快速理解和掌握。在傳統的教學方式中，課程的配套實驗設備要求較高，且在學生操作中容易因為失誤而對設備造成損壞，甚至有可能影響人身安全。基于以上原因，眾多科研院校都已將MATLAB仿真軟件引入到工科類教學中來[2]。

0引言

在《電路》課程傳統的教學活動中，教師通常利用板書和PPT的形式將課程所需基本理論知識傳授給學生，之后再通過課后安排的作業和課堂例題講解來讓學生更快掌握知識要點和計算方法，最后帶領學生進行課程知識要點總結和問題求解，以達到教學要求。但是在此過程中，教師需要將十分抽象的文字描述、復雜的電路圖設計和大量的計算公式通過理論和例題分析傳授給學生，這不僅僅要求學生時刻保持細心和專注，而且還必須和教師同步進行思考，學生通過畫圖或者聯想的方式構筑虛擬的電路模型，才能初步掌握教師所講授的知識點。對于學習能力較弱的學生，則無法全面跟上課程的進度及理解教師課堂所講授的重點和核心，使得學生在理解工作原理和波形分析時較為吃力，概念混淆，逐漸降低學生的學習熱情，這樣會嚴重影響教學效率。出現這一個現象的重要原因是在《電路》課程的教學要求中，所涵蓋的理論部分和公式過于抽象，使得學生無法對其概念進行直接掌握。針對這一個問題，利用仿真輔助等手段，通過可視化教學，將教學過程中涉及到的抽象概念具體化，可使學生對理論概念有更快、更直觀的理解[3]。

在現在的科技世界中，大學生往往不再僅僅依賴于教師的傳統講授，而是更喜歡通過使用計算機系統和智能終端技術等方式來學習和驗證抽象課程中的理論知識。教師可以利用學生對計算機感興趣的這一特點來促進學生學習，這樣也可以使得學生能夠對課堂上所講解的抽象知識和理論概念有著更深的理解。

MathWorks公司所開發的科學工程軟件——MATLAB是在課程教學中常用的可視化軟件，這款軟件提供了豐富的電路元件模型，并將各個子功能封裝成單獨的模塊，學生只需要簡單的學習便可以掌握和建立電路模型，十分易于操作。其中，Simscape、Power System Block、SimPower Systems等電力系統仿真模塊和工具箱對于電路教學仿真實驗有著學習簡單、建模方便、動態顯示仿真波形、結果驗證分析等特點。通過MATLAB仿真軟件，教師可以安排學生自主完成簡單的電路設計和建模仿真。通過將MATLAB仿真軟件同傳統教學方式相結合，讓學生自主去設計開發電路仿真模型，并對結果進行分析和預測，有利于提升學生的學習熱情和主動性[4]。

1 MATLAB仿真在教學中的應用

《電路》課程中涉及到許多章節和基礎理論知識，為了展示MATLAB仿真軟件在教學設計中的優勢，筆者選擇了戴維寧定理和線性電路分析，來設計教學過程。

1.1 基礎理論

在帶領學生進行軟件仿真之前，仍然需要圍繞基礎理論向學生介紹概念知識。盡管理論部分較為抽象，不易理解，但卻是教學過程的核心。教師在講授理論知識的過程中將其從抽象到具體、從復雜到形象化是幫助學生吸收消化知識點的關鍵。在課程進行過程中，對理論部分講解時，教師應當在遵循教科書的情況下，結合具體實例將理論逐漸展開。從基礎公式到概念理解，尤其是公式的條件、適用性和輸出結果都需要清晰明了的講解[5， 6]。本文筆者選取了由邱關源編寫的第五版《電路》教材，利用教材知識對戴維寧定理和電路線性分析進行講解。

在教學安排上，教師在講解分析戴維寧定理時通?？梢苑譃橐韵?個主要步驟。（1）定律的前提和背景：對于任意一個含獨立電源的線性集總電路網絡，無論內部構造簡單還是復雜，如果能找到兩個引出端可以同外部電路連接，即為有源線性二端（一端口）網絡。這句話表達了幾個條件，即有源、線性，同時不限于網絡的復雜度。（2）在《電路》教材中對戴維寧定理有如下詳細描述：“對于一個含有獨立短語、線性電阻和受控源的端口，可以用一個電壓源和電阻的組合在外電路中等效代換，此時，電壓源的激勵電壓等于外電路兩端端口的開路電壓，電阻則等于端口內電源歸零后的輸入電阻?！保?）定理的結論：任一等效電源加一個電阻可用以代替有源二端網絡。

同理，教師在講授基礎的知識定理后，便可帶領學生進行線性電路分析，以加深學生對電路基礎知識理解能力和掌握能力。教師在帶領學生進行電路分析時，應該分為以下3個部分進行解析。（1）確定基本分析方法：先進行電路分析，確定采用支路電流法或節點電位法。（2）確定基本定理：要引導學生對電路進行分析后是采用哪種定理，包括但不限于疊加定理、戴維寧或諾頓定理、基爾霍夫定律等。（3）列出公式：引導學生利用電路知識進行數學建模，建立電流方程。

1.2 利用MATLAB仿真軟件驗證

教師首先按照教學思路向學生講授基本的電路定律，然后帶領學生運用所學定理和基礎知識對電路進行分析。確定分析流程后，通過利用MATLAB軟件的可視化模塊，以驗證所舉例的戴維寧定理和電路分析過程。通過引導學生可視化模塊搭建電路模型，可以使得學生對定律和電路分析過程有著直觀的感性理解。

1.2.1戴維寧定理的驗證

圖1展示了原始的電路，其中，干路電流和端電壓數值由輸出模塊的值表示。圖2展示了教師利用戴維寧定理等效后的電路仿真以及輸出。

在圖1中，選定電壓源（Controlled Voltage Source）和常數模塊（Constant）為電壓模塊，給定電壓為4V;電流源（Controlled Current Source）和常數模塊（Constant）為電流模塊，給定電流為3A。通過在Series RLC Branch 模塊中引入電阻，設定電阻 和 等于2Ω， 等于4Ω。為了測量電流和電壓，引入電流測量模塊（Current Measurement）和電壓測量模塊（Voltage Measurement），同時利用顯示模塊（Display）來顯示具體的電流和電壓值以驗證戴維寧定律等效后的電路。圖2中所采用的模塊和圖1相同，其中電阻 為1Ω， 阻值等于R3。

通過對比觀察圖1和圖2可以發現，圖1中的帶有電源的線性二端網絡可以等效為圖2中電源和電阻的組合，且外電路部分并不發生改變。圖1中電流電壓測量模塊同圖2中的電流電壓測量模塊值相同，進一步驗證了戴維寧定理的有效性。至此，采用MATLAB可視化模塊來驗證戴維寧定理，過程直接簡單，較為直接的驗證所學定律。

1.2.2電路分析

為了進一步顯示MATLAB可視化軟件在電路分析中的優勢，教師首先通過電路圖舉例和公式分析對給定電路進行分析，之后利用MATLAB可視化軟件建模，引導學生對計算公式進行驗證，以達到讓學生簡單直觀學習的目的。

對于圖3給定電路，已知 =4 ， =4 ， =4 ， =2 ，電流源 =2A，對于圖中受控電流源 和受控電壓源 ， =0.5， =4，要求得出電流 和電流

教師首先利用講授電路知識進行數學建模。由圖3可知，以a、b兩個節點作為研究對象，設定對應的電壓為? 和 ，根據基爾霍夫電流方程（KCL）可以列出如下方程：

最終可以計算得到 =6V， =2V; =1A。利用數學公式建模的方法有利于學生復習所學知識，提升思考能力，但是相對來說較為復雜。因此，教師通過所給電路圖搭建MATLAB仿真模型如圖4所示。

在進行MATLAB可視化仿真時，需要考慮的是對受控電流源和電壓源的設計，通過設定放大增益（Gain）模塊，可以實現對本節例子中的參數仿真。通過分析圖4，可以看出，利用電流測量模塊得到的值同利用數學建模得到的值相同，證明了搭建模型的有效性。

通過MATLAB仿真軟件的可視化模塊來驗證戴維寧定律和進行電路分析，能夠將較為復雜的數學建模過程變得直觀簡單，同時能結合教師講解的分析過程，印證結果，提升學生興趣和實踐能力。

2結語

本文筆者以《電路》課程教材中的戴維寧定律和一個電路分析過程為例，在《電路》的課程教學中直觀地展示了MATLAB仿真軟件的課程應用。通過將MATLAB軟件引入到傳統的教學中來，可以有效地提升學生的動手能力和思考能力，引導學生自主的克服學習過程中的難點。在實驗教學中引入仿真軟件，可以規避由于學生不熟悉電路搭建而造成的實驗設備損失和安全問題?；贛ATLAB可視化仿真軟件來講解電路知識，也能夠加強同學生的互動，并及時對學生問題及進行驗證與答復。

參考文獻

[1] 王曉暉，曹蘇群，郭新年.探索集成電路設計課程與思政教育的融合方法[J].文化創新比較研究，2020， 4（33）：89-91.

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[3] 羅仁芝.試論可視化大數據在在線教育教學中的應用[J].科技資訊，2020，18（17）：4-5.

[4] 張耀鋒.基于Matlab仿真技術在電力電子技術教學中的應用[J].天津中德應用技術大學學報， 2020（5）：38-42.

[5] 王河山，任亞明.基于MATLAB的可視化教學方法在《電路》課程中的應用[J].大眾科技，2019， 21（3）：71-73.

[6] 楊麗，陳瑋，肖強暉.基于視頻和仿真的教學法在電路實驗課程中的應用[J].教育現代化，2020，7（7）：54-56.