Multisim 仿真在《電路》課程教學中的應用研究＊

熊 麗，祁麗婉，王琦山，張科智，張維寶

(河西學院物理與機電工程學院，甘肅 張掖734000)

1 概述

隨著電氣電子、自動化信息類專業的發展趨勢和要求，考慮到高等教育工科類學生的就業需求和教學過程中對電路課程的要求越來越高，如何處理該門課程所面臨的學時減少而內容不減之間的矛盾，怎樣有效地提高學生學習的主觀能動性和興趣以及創新實踐能力等諸多問題依然是電路課程教學過程中需要不斷探索的問題[1]。該課程內容較多，電路邏輯性較強，工程應用要求較高，分析方法較多，需要具備一定的數學基礎，是電氣電子、自動化信息等諸多學科考研的必考專業課程[2,3]。對于部分學生來說，學習難度較大，尤其是正弦穩態交流電路的分析部分。

2 教學手段的改進

2.1 多媒體教學與傳統教學相結合

由于電路這門課程中有著大量的公式和電路圖，尤其是電路圖千變萬化，稍微改變電路的連接方式，就會導致電路的分析方法也隨之發生變化。如果仍然采用傳統的板書教學方式，為了避免學生不清楚公式的來龍去脈以及電路的連接方式，就需要在課堂上花費一定的時間在黑板上推導公式和畫各類電路圖，這樣會直接導致課堂效率的大大降低，特別會造成內容多與學時少之間的矛盾愈加突出。此外，電路課程中的諸多內容若僅靠教師的語言講解，學生是很難真正理解并掌握的。例如，像電容元件和電感元件內容的講解，如果老師只是按部就班地對其定義、伏安關系和儲能按照書上的介紹進行講解，學生難免會覺得枯燥乏味，甚至有些學生會覺得自己連真實的電容器和電感器都沒有見過，怎么去理解它的特性呢？更準確地說，就是學生對該知識點很抽象，沒有感性的認識，老師只是灌輸性地傳授知識給學生，而學生也是被動地去接受知識。

通過多年的實踐和教學經驗，這些年將多媒體教學和傳統教學相結合，在電路課程的教學上取得了良好的效果。例如，上述對電容元件和電感元件內容的講解，可以通過多媒體圖片和網絡視頻讓學生先從感官上對實際的電容器和電感器有所認識，并對這些基本電路元器件的工作原理和工作過程有所了解，然后再結合板書教學抽象出它們的理想模型并進行分析。需要注意的是，多媒體教學也具有局限性，尤其是對于電路課程，老師往往會因為把握不好課堂的節奏講授內容過快過多從而影響學生的學習效果。故重點是有效地將二者結合起來，才能起到畫龍點睛、錦上添花的效果。

2.2 電路仿真教學與多媒體教學相結合

由于電路系統的實際裝置包括各種設備、器件和元件等，直接對實際電路進行分析和研究是很復雜、很困難、甚至是不可能的。像其它許多成熟完備的學科一樣，電路理論也必須采用科學的抽象分析方法，即用模型來代替實際電路元件的外部功能。因此，電路課程中所講述的電路模型都是從實際電路中抽象而來的，或者通過研究電路模型從而得到實際電路的工作性能及效果。故該課程具有較強的實踐性、應用性和綜合性，在該課程的教學中避免不了對一些經典的電路定理和電路分析方法進行實驗教學。之前的教學方法都是先對學生進行電路理論知識的講授，再讓學生到實驗室對部分所學電路原理進行驗證，綜合應用型實驗基本不涉及，再加上實驗設備數量有限以及都是集成化的，導致學生自主思考動腦和真正動手實踐的部分其實很少，這對于電氣電子、自動化信息類專業的學生而言是極大的限制和束縛。若借助電路仿真軟件開展仿真實驗探究可極大地改善上述問題。一方面，能夠激發學生的學習興趣和探索欲望以及動手實踐和設計創新技能；另一方面，可以提高教師在課堂中的有效教學并增進師生間的互動。

3 Multisim 電路仿真教學手段的應用實例

3.1 Multisim 電路仿真軟件介紹

Multisim 是加拿大圖像交互技術公司推出用于模擬、數字和電力電子領域的軟件，目前應用于電路仿真與電路教學等。該軟件有多種虛擬儀表和各種元器件，元器件放置在各個庫中。用戶可自由地選擇所需測量儀表與元器件。整個Multisim 的操作方法就像在電子實驗臺做實驗，把電路中所需的元器件和測量儀器找到并點擊到確定位置屏幕上，修改其參數，點擊鼠標可將它們連接起來，測量儀器的操作方法都與實物類似，測量所得的數據、波形如同在真實儀器上看到的[4]。Multisim 的應用步驟為：雙擊打開圖標，即可出現設計工具箱，里面有個新建的文檔設計1，只需把自己需要的元件在元件庫里找到，修改參數，連接即可仿真。其界面圖如圖1 所示。

圖1 Multisim 軟件的頁面圖

3.2 混沌電路仿真教學實例

混沌電路是屬于電路課程體系中非線性電路與系統分支的綜合應用研究型學習內容，學習難度較大。本節所選取的電路仿真教學實例是混沌電路中比較典型的Lorenz 混沌電路。具體的Multisim 仿真步驟如下：

（1）雙擊打開Multisim 軟件，點擊新建文檔。

（2）找到所需元件，電阻在主數據庫中的Sources,電容在Basic,模擬乘法器是在系列中的CONTRCL—FUNCTION_BLOCKS 中的MULTIPLIER，集電放大器是在Analog 中的OPAMP_3T_VIRTUAL。

（3）改變參數，放置位置，連接線路。

（4）保存并開始仿真，仿真電路圖如圖2 所示。

圖2 Multisim 電路仿真圖

通過Multisim 電路仿真得到三個二維的混沌相圖，即XY 相圖、XZ 相圖和YZ 相圖，如圖3（a）、3（b）、3（c）所示，即得到了如同蝴蝶翅膀那樣的混沌相圖，但是該二維混沌相圖并不是很完美。

圖3 基于Lorenz 混沌電路的Multisim 仿真相圖

接著啟發學生將基本Lorenz 方程的混沌相圖[5]與上述Multisim 仿真結果與圖3（a）、3（b）和3（c）做對比，其目的是讓學生通過對比觀察發現上述混沌相圖并不完美的這一現象。為了深入分析這種現象出現的原因，再引導學生分別對所設計的Lorenz 混沌電路的某些元器件賦予不同的電路參數值，對其電路參數發生變化時的各個混沌相圖進行分析、對比仿真研究，并觀察這些混沌現象：

①其余電路參數值不變，改變電容的電容值，發現當電容值大于0.4uF 時，觀測到的Multisim 仿真混沌相圖與基本Lorenz 方程的混沌相圖一致。例如，當C1=0.6uF 時，仿真結果見圖4（a）、4（b）和4（c）。

圖4 C1=0.6uF 時的Multisim 仿真混沌相圖

②其余電路參數值不變，改變模擬乘法器A1的參數值，其Multisim 仿真得到的混沌相圖結果如圖5（a）、5（b）和5（c）所示。

圖5 模擬乘法器A1 為0.05V/V 時的仿真結果

最后，再引導學生對上述Multisim 電路仿真結果進行對比分析，從而得出如下結論：通過改變Lorenz 混沌電路中的電阻、電容、模擬乘法器等元器件的參數值，可以使系統的混沌現象發生改變，這是因為混沌系統具有對初始條件極端敏感的特性，只要初始條件發生細微的改變，結果就會發生巨大的差異。為了進一步驗證這一結論的正確性和有效性，要求學生在課后利用網絡搜索一些其它類型的典型混沌電路，例如蔡氏電路、Jerk 電路等，并通過同樣的方法利用Multisim 軟件對其進行電路仿真實驗，加深對混沌現象以及混沌電路的理解和認知，甚至可以利用所學電路知識自己設計出不同的混沌電路來。

4 結束語

通過對電路這門課程教學手段的改進，將多媒體教學和電路仿真教學相結合，使得本校的電路課程取得了較好的教學效果，不僅提高了學生的學習興趣、動手能力和實踐能力，而且提高了學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。