Multisim在汽車電工電子課程中的應(yīng)用

摘要：Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器有限公司NI推出的一款適用于電工電路的仿真軟件。文章主要以“戴維寧定理”為例，將Multisim仿真軟件適當(dāng)引入進(jìn)行輔助教學(xué)。從戴維寧定理的內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法等各個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，以此調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在教學(xué)過(guò)程中也取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：汽車電工電子;仿真;Multisim

中圖分類號(hào)：G434 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0256-02

0 ?引言

汽車電工電子是汽車檢測(cè)與維修和汽車營(yíng)銷專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，課程目標(biāo)要求學(xué)生掌握直流電和交流電基礎(chǔ)、安全用電、電機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)等相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，其中有一定比例的公式推導(dǎo)、原理的理論解釋等理論性內(nèi)容。這些內(nèi)容對(duì)高職學(xué)生存在著學(xué)習(xí)枯燥、不形象的問(wèn)題。這就迫切需求虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)輔助教學(xué)，幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。

Multisim是Interactive Image Technologies（Electronics Workbench）公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于電子電路、汽車電工電路、電力電子等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工作。它的輸入形式含了電工電路原理圖的圖形輸入和電路硬件描述語(yǔ)言輸入，具有強(qiáng)大的仿真分析能力。Multisim的軟件仿真能力基于該軟件具有強(qiáng)大的元件庫(kù)，并且該元件庫(kù)為開放式，任何使用該軟件的人都可以根據(jù)分析電路的需求添加對(duì)應(yīng)的元器件。正向仿真是Multisim仿真軟件的基礎(chǔ)，學(xué)生可以在這個(gè)平臺(tái)上對(duì)預(yù)想的電路進(jìn)行觀測(cè)分析，從而使得硬件電路在設(shè)計(jì)時(shí)避免走很多彎路。

本文是基于汽車專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)新型授課模式的探討和設(shè)計(jì)，在課程學(xué)習(xí)時(shí)，教師在教學(xué)和學(xué)生在學(xué)習(xí)中都存在一些問(wèn)題。在汽車電工電子課程中嘗試運(yùn)用電子仿真軟件的強(qiáng)大功能來(lái)促進(jìn)解決教學(xué)中存在的部分問(wèn)題。本文以戴維寧定理為例，詳細(xì)闡述Multisim在汽車電工電子課程中的應(yīng)用。

1 ?Multisim在汽車電工電子課程中的設(shè)計(jì)流程

汽車電工電子講授的內(nèi)容有基爾霍夫定理、戴維寧定理、交流電路分析、數(shù)字邏輯電路等。如果將這些理論知識(shí)在課堂上用仿真平臺(tái)表現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生學(xué)習(xí)會(huì)更有興趣，更好提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。將Multisim仿真軟件應(yīng)用于這門課程的流程圖如圖1所示。

首先要明確教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)課程安排確定教學(xué)方案，在前面幾次課可根據(jù)學(xué)生是否熟悉Multisim仿真軟件，有選擇的演示元件的選擇和電路的搭建，再進(jìn)行電路的結(jié)果仿真，這樣有利于學(xué)生知識(shí)理解和課上時(shí)間充分利用，還可使學(xué)生快速上手軟件的使用。然后通過(guò)仿真過(guò)程和仿真結(jié)果演示并驗(yàn)證相關(guān)知識(shí)（如直流電路，交流電路分析）的基本原理和應(yīng)用特點(diǎn)，使學(xué)生在操作中掌握課本知識(shí)，并能在應(yīng)用中開拓思維。最后通過(guò)學(xué)生問(wèn)題反饋和教師總結(jié)，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)加以鞏固。在這篇文章中Multisim被引入到汽車電工電子理論課的學(xué)習(xí)中，通過(guò)對(duì)課程部分輔助知識(shí)點(diǎn)的驗(yàn)證，使得學(xué)生加深了知識(shí)點(diǎn)的掌握和理解。本文以戴維寧定理為例，探討引入Multisim的教學(xué)效果。

2 ?Multisim在戴維寧定理教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 戴維寧定理

戴維寧定理也叫等效電壓源定律，是由法國(guó)科學(xué)家戴維寧于1883年提出的一個(gè)電學(xué)定理。主要內(nèi)容是：由獨(dú)立電源和若干線性電阻構(gòu)成的線性電路，就外部特性而言，這個(gè)單口網(wǎng)絡(luò)去掉負(fù)載部分可以等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)電阻串聯(lián)的電路。此時(shí)電壓源的電壓等于線性電路在負(fù)載開路時(shí)的電壓Uoc;電阻R0是單口網(wǎng)絡(luò)內(nèi)全部獨(dú)立電源為零值（電壓源短路，電流源斷路）時(shí)所得電路的等效電阻。

2.2 課程要達(dá)成的目標(biāo)

①知識(shí)目標(biāo)。通過(guò)課程學(xué)習(xí)讓學(xué)生掌握基本的電路概念：什么是二端網(wǎng)絡(luò)、什么是有源、什么是無(wú)源、什么是線性電路;核心點(diǎn)是理解并掌握戴維寧定理。

②能力目標(biāo)。本課程的學(xué)習(xí)，理解有源線性二端網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上會(huì)用戴維寧定理進(jìn)行一些物理量的計(jì)算，并且能熟練掌握用Multisim對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 本章節(jié)教學(xué)存在的難點(diǎn)和重點(diǎn)

①戴維寧定理的教學(xué)難點(diǎn)：將復(fù)雜的有緣線性二端網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理的分析;對(duì)分析結(jié)果引入戴維寧定理進(jìn)行求解;掌握利用Multisim對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。②戴維寧定理的教學(xué)重點(diǎn)：理解并掌握戴維寧定理內(nèi)容;能及時(shí)的將復(fù)雜的線性有源二端網(wǎng)絡(luò)中得到戴維寧等效電路的兩個(gè)物理量，開路電壓源和等效電阻。

2.4 戴維寧定理的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)教學(xué)方式中，講授了戴維寧定理之后通常選擇一個(gè)例題來(lái)幫助學(xué)生消化此定理，學(xué)生課堂上的互動(dòng)情況，第2次課上課知識(shí)點(diǎn)回顧情況，以及知識(shí)點(diǎn)回顧中采用Multisim輔助教學(xué)三個(gè)階段隨機(jī)抽查學(xué)生提問(wèn)情況見(jiàn)表1所示。

通過(guò)對(duì)表1進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了學(xué)生在對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握存在幾個(gè)情況，首先，通過(guò)傳統(tǒng)的習(xí)題講解，由于學(xué)生的高中基礎(chǔ)不夠牢固，物理概念不清楚。不能及時(shí)的消化知識(shí)點(diǎn);其次，因?yàn)闆](méi)有及時(shí)的進(jìn)行課后的復(fù)習(xí)，致使在課堂知識(shí)點(diǎn)回顧中好多學(xué)生不能掌握該上次課的知識(shí);再次，使用Multisim對(duì)結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證時(shí)，時(shí)間很短，能輕易的將學(xué)生的注意力集中起來(lái)。驗(yàn)證過(guò)程直觀、形象，可以按照要求隨意的設(shè)置參數(shù)，學(xué)生能夠較快的掌握戴維寧定理的本質(zhì)要求。例題在Multisim中再現(xiàn)如下。

通過(guò)之前的學(xué)習(xí)，現(xiàn)在求解通過(guò)分析這道題發(fā)現(xiàn)可以利用第一章中的基爾霍夫定律來(lái)解決，也可以用電源的等效變換來(lái)解決，還可以用疊加定理來(lái)解決。但這三種方法比較繁雜有沒(méi)有簡(jiǎn)單點(diǎn)的方法來(lái)解決呢？通過(guò)解題方法的簡(jiǎn)單化來(lái)介紹“戴維寧定理”。

①戴維寧定理的講解和求解方法。含獨(dú)立電源的線性電阻電路，就電路外部而言，該電路可以等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)電阻串聯(lián)的電路。該電壓源的電壓等于這個(gè)電路在負(fù)載斷路時(shí)的電壓Uoc;電阻R0是該電路全部獨(dú)立電源為零值（電壓源短路，電流源斷路）時(shí)所得電路的等效電阻。

通過(guò)戴維寧定理知道，我們?cè)谇蠼怆娐窌r(shí)，做出原來(lái)電路的等效電路圖就是核心問(wèn)題也是教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)的重難點(diǎn)。通過(guò)等效電路可以計(jì)算出電壓源的電壓U以及所有電源為零時(shí)的電阻即等效電阻Ro，電壓源的電壓U就是戴維寧定理中的等效電路的開路電壓;等效電路的電阻等于原電路的等效電阻。

②電路分析。如圖2所示電路，所示：已知uS1=10V，uS2=8V，R1=3Ω，R2=6Ω，RL=2Ω，求電流RL上的電流I。

畫出求戴維寧開路電壓如圖3，最后等效電路如圖4。

開路電壓為：

等效電阻為：

負(fù)載上的電流為：

③結(jié)果驗(yàn)證。通過(guò)同學(xué)們自己動(dòng)手搭電路，利用Multisim仿真如圖5所示。指導(dǎo)同學(xué)設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，并運(yùn)行，直觀的得到驗(yàn)證結(jié)果。從圖示仿真結(jié)果可以看出，負(fù)載上流過(guò)的電流大小為999.998mA，可以認(rèn)為就是1A，并且方向是從上向下，而理論計(jì)算結(jié)果為1A，這樣軟件仿真就驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。

3 ?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真時(shí)，可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)《汽車電工電子》課程的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步加深學(xué)生的理論學(xué)習(xí)效果，同時(shí)利用Multisim軟件進(jìn)行教學(xué)，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)熱情，活躍了課堂氣氛，激起了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，對(duì)學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)都有很大幫助。

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基金項(xiàng)目：2019年校級(jí)教改項(xiàng)目“基于Multisim的汽車電工電子教改研究”，立項(xiàng)編號(hào)XJYB1909。

作者簡(jiǎn)介：李均恒（1980-），男，河北邢臺(tái)人，碩士，研究方向?yàn)橹悄芸刂啤?/p>