虛擬仿真技術輔助電路課堂教學與實驗

張瑞，呂宗旺，付麥霞

（河南工業大學 信息科學與工程學院，河南 鄭州 450001）

電路分析是電子信息類專業的一門理論性很強的專業基礎課[1-3]，對于后續專業課程的學習有很強的支撐作用，在整個電子信息類專業的人才培養方案和課程體系中起著承前啟后的關鍵作用，也是很多高校的考研科目之一.該課程物理概念較多，理論性強，涉及的分析方法密集，同時與實際工程技術又有較緊密的聯系[4].新工科理念的提出[5-6]，促使電路課程進行更深入的教學改革.

Multisim 仿真軟件非常適合電路設計仿真[7]，設計者可以直接從Multisim 軟件庫中找到常用的各種型號和功能的元器件，避免了在硬件實驗過程中對各種元器件調試，并且軟件自帶示波器、信號發生儀等儀器儀表，使得觀察的仿真結果形象、直觀，與真實的測量結果一致性較高.為了使電路理論形象化，將虛擬仿真技術引入教學[8-10]，輔助理論學習和實驗，使學生的學習更加深入，并提高學習的積極性和主觀能動性，從而呈現教育教學的新質量.

1 電路分析教學中存在的問題

1.1 分析方法多，理論性強且抽象

電路課程理論分析方法較多，所學內容涉及高等數學和大學物理等課程的基礎知識，學生不但需要將以前的微積分、一階微分方程求解、線性代數等相關概念、求解方法應用于新知識，還需要接收較多的新內容，容易產生問題積累.同時，低年級的學生專業基礎較弱，而課堂授課過程中通常只能以理論講解為主，而實際應用結合較少，學生學習過程中對理論知識缺少直觀感受，理解膚淺，難學易忘.

1.2 硬件實驗受場地和時間限制

硬件實驗場地與理論教室是分開的，實驗學時有限.受上課場地的影響不能將該門課程中所講的重點內容進行具體的、形象的實踐，導致學生難以真正理解相關知識點.即使有部分知識點有對應硬件實驗，但是由于時間與理論教學不同步，實驗時間不充分，學生容易為做實驗而做實驗，不能充分發揮實驗的作用.

1.3 學生學習模式需要改進

大一第二學期學生還不能完全從高中的學習模式過渡到大學的生活和學習模式當中，過度依賴教師的課堂講解，自主學習、知識拓展能動性有待進一步提高.

2 虛擬仿真輔助課堂和實驗教學實例

以RC 一階動態電路（見圖1）的響應為例.

圖1 一階RC 動態電路

2.1 對應課堂教學知識點

2.1.1 零狀態響應 設t=0-時，uc（0-）=0 V，即為零狀態.t≥0時，開關S 閉合到a.電路中的u c(t)根據定義為零狀態響應，故

式中：τ=RC=0.01 s=10 ms為時間常數.根據數學知識，uc（t）的VCR 曲線應該向10 V 無限逼近，為電容的充電過程.

2.1.2 零輸入響應 設t=0-時，uc（0-）=10 V.t≥ 0時，開關S閉合到b.電路中的u c（t）根據定義為零輸入響應，故

式中：τ=RC=0.01 s=10 ms為時間常數.根據數學知識，uc（t）的VCR 曲線應該從10 V 向0 V 無限逼近，為電容的放電過程.

2.1.3 全響應 設t=0-時，uc（0-）=10 V .t≥ 0時，開關S 閉合到a.電路中的u c（t）根據定義為零狀態響應，故

式中：τ=RC=0.01 s=10 ms為時間常數.

學生對這些知識點的理解極大地依賴數學理論，數學理論不扎實的學生理解起來更加困難，不形象，不生動.

2.2 Multisim 虛擬仿真技術輔助理論課堂

將Multisim 仿真軟件引入理論課堂教學，課前用Multisim 仿真軟件設計好電路，利用媒體設備向學生展示電路運行時的狀態和結果.根據需要靈活地改變電路中的各種參數，使學生更加形象具體地認識參數對電路運行狀態的影響，進而對基本電路分析理論和方法有更深入、直觀的認知，同時鼓勵學生自行發揮，重新設計電路，使學生在設計中理解電路各個參數的運用和測量方法，提高了學生的學習興趣和教學效果.

2.2.1 零狀態響應虛擬仿真 對零狀態響應，用Multisim 畫出電路（見圖2）.可以借助Multisim，觀察u c（t）的瞬態值（見圖3）.也可以用示波器向學生展示u c（t）的曲線（見圖4），同時還能在示波器上定位uc（0-）=0 V .

圖2 RC 充電電路（零狀態響應）

圖3 u c（t）（零狀態響應）的虛擬仿真曲線

圖4 零狀態響應中用示波器展示時間常數

2.2.2 零輸入響應虛擬仿真 對零輸入響應，用Multisim 畫出電路（見圖5）.可以借助Multisim，觀察u c（t）的瞬態值（見圖6）.也可以用示波器向學生展示u c（t）的曲線（見圖7），同時還能在示波器上定位uc（0-）=10 V .

圖5 RC 放電電路（零輸入響應）

圖6 u c（t）（零輸入響應）的虛擬仿真曲線

圖7 零輸入響應中用示波器展示時間常數

2.2.3 全響應虛擬仿真 若在電路的運行過程中，將開關不斷在a，b 之間切換，觀察波形.用Multisim 畫出電路（見圖8），用示波器觀察到u c（t）的波形（見圖9）.

圖8 全響應電路圖

圖9 uc（t）在方波信號激勵下的全響應

2.3 對應實驗

學生需要借助示波器觀察RC 電路的零輸入響應、零狀態響應、全響應，電路的激勵為方波信號.需要在示波器中讀出時間常數τ的值，并與實際電路中τ=RC的值比較.

2.4 Multisim 虛擬仿真技術輔助實驗

這些知識點的虛擬仿真已經演示過，學生只需要在實驗前自行用軟件操作，加深理解相關理論，尤其是在時間軸如何找到時間常數τ，以便線下硬件實驗的順利進行.

借助仿真軟件，通過對電路進行仿真，來驗證相關知識點的內容，可以在任意時間、任意地點進行實驗，不需要實驗器材，可以多樣擴展，實驗效率也會大幅提高.學生通過仿真軟件，不需要去實驗室就可以完成理論的檢驗.

3 結語

將虛擬仿真軟件Multisim 應用于電路分析課程教學，通過虛擬仿真軟件改變電路的參數，形象展示電路的原理和規律，將電路分析理論和實驗項目相結合，有效提高了學生對電路理論知識的理解.