Multisim在留學生“電工學”教學中的應用

江蘇大學電氣信息工程學院 朱 莉 白 雪

“電工學”作為非電專業的技術基礎課，理論性、實踐性都很強。課程涉及面廣，知識點繁多抽象，學生學習起來普遍感到困難。2020年初，突如其來的新冠肺炎使留學生“電工學”線上教學變得異常困難。筆者將Multisim仿真運用到留學生“電工學”理論教學中，激發留學生的學習興趣，提升教學效果。同時，Multisim仿真突破了傳統教學模式的時間、空間和設備的限制，使“電工學實驗”由傳統的線下實操轉為線上實驗變得可行，形成一種新型的線上線下混合式實驗教學模式。

“電工學”作為非電專業的技術基礎課，具有很強的理論性和實踐性。具有課程涉及面廣、知識點繁多抽象等特點。學生學習起來普遍感到困難，尤其是對受教育程度參差不齊，自律性不強的留學生來說更是困難重重。2020年初突如其來的新冠肺炎迫使留學生教育從面對面的小班授課模式直接轉變為純線上教學或線上線下相結合的模式。如何讓留學生集中注意力、調動其學習積極性對任課教師是極大的挑戰。

目前，國內疫情得到控制，在國內的來華留學生已回歸課堂。然而，國外疫情形勢依然嚴峻，仍有許多留學生無法返回中國。借助各種網絡平臺，理論課程已經可以在線上順利進行。那么，線上實驗課程該如何進行呢？這也是任課教師一直在探索問題。

后疫情時代，筆者在總結前期線上教學經驗的基礎上，將Multisim仿真融入“電子技術”（電工學Ⅱ）理論和實驗課程的教學中，充分利用互聯網+和計算機仿真技術，突破傳統教學模式的時空限制，理論與實踐相結合，在幫助留學生掌握電子電路的基本概念和基本分析方法的同時，培養工程實踐能力。

1 來華留學生“電工學”線上線下混合式教學的背景

我校非電專業留學生自2013年起開設全英文授課“電工學”及“電工學實驗”課程，該課程2014年獲評“江蘇高校省級英語授課精品課程”，2018年獲評“江蘇大學精品在線開放課程”，錄有完整的理論教學視頻。

與國內學生相比，我校留學生具有以下特點：時間觀念比較差，基礎教育水平較低，受教育程度參差不齊，不同學生學習態度也截然不同。但是課堂氣氛比較活躍。傳統課堂教學都是小班面對面授課，對教學過程中出現的問題，教師可以一對一輔導。

2020年初突如其來的新冠肺炎迫使線上教學成為全國教育模式的主流，留學生教育也不例外，從面對面的小班授課直接隱退到手機和電腦屏幕的另一端，加劇了管理和教學的難度。2020年秋季學期，隨著國內疫情得到控制，各高校逐漸復學，部分留在國內的來華留學生已回歸課堂。然而，國外疫情形勢依然嚴峻，導致許多留學生無法返回中國，只能繼續依靠網絡學習完成學業，留學生教育又轉為線上線下相結合。在疫情常態防控的背景下，我們無法預測留學生們何時能夠返校，線上教學或將成為他們完成學業的主要模式。

疫情打破了一切常規，但是也給教學改革帶來了契機。在適應了各種智慧教學平臺后，如何結合“電工學”課程性質和留學生自身特點對教學模式和內容進行改革，激發留學生的學習興趣、調動他們的學習積極性，以及如何充分利用先進的網絡技術和信息技術進行線上實驗教學，培養留學生工程實踐能力，對任課教師來說都是極大的挑戰。

2 Multisim軟件簡介

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，用軟件方法虛擬電子元器件及儀器、儀表，將元器件和儀器集合為一體，是原理圖設計、電路測試的虛擬仿真軟件。

將Multisim應用到電工學理論教學中，利用其豐富的仿真元器件庫和儀器、儀表庫，可以將知識點中抽象的理論分析通過計算機仿真實時顯示出結果或波形，從而方便學生理解電路的工作原理。另外，Multisim軟件以圖形界面為主，采用菜單、工具欄和熱鍵相結合的方式，具有一般Windows應用軟件的界面風格，為用戶提供了所見即所得的設計環境、互動式的仿真界面，即使是從未接觸過它的人稍加學習就可以很熟練地操作該軟件，并可以根據自己的習慣和熟悉程度自如使用。同時，英文版Multisim軟件可以方便留學生不受時空限制自己動手進行仿真實驗，將抽象的理論形象化、具體化，將理論知識上升到新的感性高度，解決理論與實踐相脫節的問題。

3 Multisim在電子技術教學中的應用

3.1 理論教學

二極管作為電子技術中最基本的元件，其主要性質為單向導電性，即二極管外加正向電壓時導通，外加反向電壓時截止。利用二極管的單向導電性，可以構成限幅電路。然而，對于剛剛接觸電子技術的學生來說，電子線路比電工電路更加抽象，不易理解。因此，筆者在課堂教學中首先從理論上分析限幅電路的工作原理，然后加入Multisim仿真演示。

圖1為用Multisim軟件繪制的限幅器仿真電路，電路中的二極管、電阻、電源都可以在Multisim元件庫中調用，該電路模型與課堂上分析的電路完全一致，圖中的XSC1是Multisim虛擬儀器庫中的雙蹤示波器。其中，chanel A用來測量二極管陽極電位，代表電源電壓，為輸入端；chanel B用來測量二極管陰極電位，代表輸出端。

圖1 限幅器Multisim仿真電路

圖2為示波器顯示的測量數據和仿真波形。當電源電壓為9.978V時，陰極電位為9.3331V，可見二極管的正向壓降為0.647V。當二極管陽極電位為－9.966V時，二極管截止，測得陰極電位為2V，說明二極管的反向電流為0，用具體的測量數據說明了二極管的單向導電性。同時chanel A、chanel B兩個通道分別實時顯示出輸入輸出電壓的仿真波形，使學生對限幅電路有了直觀認識。

圖2 仿真波形

由此可見，將Multisim仿真融入課堂教學可以將抽象的理論知識具體化，形象化，方便學生理解和記憶。

3.2 實驗教學

由于MultiSim提供了大量的元器件庫和虛擬儀器、儀表，并且提供了修改電路設計的靈活性，可實現學生在理論、仿真、實操實驗之間的無縫銜接。為無法進入實驗室的學生提供了一個虛擬實驗平臺。下面講述Multisim仿真在共射放大電路靜態分析中的應用。

（1）靜態工作點的仿真分析

傳統的實驗中，靜態工作點一般是用電壓表、電流表測量數據得到。而Multisim中包含了直流工作點分析功能。選擇Simulate>Analyses and Simulation>DC Operating Point，選擇I(Q1[IB])，I(Q1[IC])，V(3)，V(4)，加入對話框，然后點擊“RUN”，就可以得到仿真結果：IB=3.1μV，IC=659.4μV，VCE=4.1V。

圖3 分壓偏置共射放大電路

（2）仿真曲線

圖 4為Multisim中虛擬雙蹤示波器顯示的仿真曲線，Chanel A測量的是輸入電壓，ChanelB測量的是輸出電壓。由圖4可以直觀地看出輸入電壓與輸出電壓相位相反，從而驗證了共射放大電路輸入輸出電壓的相位關系，與理論公式推導一致。另外，通過調節電阻R6的值，可以觀察靜態工作點對輸出電壓波形失真的影響。

圖4 仿真曲線

由此例可以看出，基于互聯網的Multisim虛擬仿真實驗，可以打破時空限制，使身在海外的留學生也能參與實驗教學活動。

同時，本著“以學生為中心”的教學理念，實驗教師積極轉變教學思路、大膽創新、積極探索出了網絡實驗教學的三種教學模式：在線遠程虛擬仿真實驗教學、錄播教學和互動式自主學習教學。充分利用實驗臺和計算機仿真技術，突破傳統教學模式的時空限制，通過“實物操作+仿真操作”的方式，虛實結合、人人動手，進行線上線下混合式實驗教學。

具體做法如下：

（1）挑選經典實驗內容錄制教學視頻，優化教學課件，并要求所有留學生提前熟悉Multisim軟件。

（2）實驗前一周發布教學視頻，讓學生提前了解實驗內容和要求。

（3）在國內的留學生到實驗室進行實操實驗，用視頻直播教師的講解和學生的實操過程，包括元器件實物展示、按實驗線路在實驗臺上連線，在示波器上調試實驗波形。

（4）在國外的留學生在電腦上搭建仿真電路，并展示仿真結果。

最后，將仿真結果與實操結果進行比較、討論，以便課后提交實驗報告。

2020年秋季學期，無法返校的留學生應用Multisim仿真順利完成了“電子技術”線上虛擬仿真實驗，基本達到實驗效果。

盡管在疫情防控期間，基于互聯網+的線上教學是被動地對傳統教學模式進行的一種顛覆性變革，但筆者認為，在疫情常態化防控的背景下，線上線下混合式教學模式將成為國際化教育的一種新常態。

根據留學生教學的特點，將Multisim仿真軟件應用在“電工學”課程教學中可以充分利用網絡技術和計算機技術將抽象的理論知識可視化、形象化，最大程度地幫助留學生理解課程知識點，更好地激發留學生的學習熱情和積極性，從而提升課堂教學效果。同時，Multisim仿真軟件突破了傳統實驗教學模式在時間、地點和實驗設備上的限制，利用網絡技術，創建一個遠程開放的虛擬實驗環境，使“電工學實驗”由傳統的線下教學轉為線上教學變得可行，為建設電工學遠程虛擬仿真實驗平臺提供了一種解決方案，有利于提高留學生的綜合素質，培養技能型人才。

疫情強制性地帶來了對傳統教學模式顛覆性的變革。后疫情時代，快速發展的聯網技術和現代化的教學方法將會更加深刻地影響和融入到“電工學”教學改革中。