基于Multisim 的測(cè)控電路線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐＊

平頂山學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院 楊麗 薛亞許 姬鵬飛 王浩然

根據(jù)疫情防控期間“停課不停學(xué)”要求，為確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利有效開展，引入Multisim 仿真軟件，從實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施、實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫等4個(gè)方面對(duì)測(cè)控電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)方案設(shè)計(jì)，并展開實(shí)施。以電壓比較器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例對(duì)其線上教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，分別對(duì)過零比較器、滯回比較器、窗口比較器三種電壓比較器進(jìn)行電路繪制和仿真分析。通過對(duì)電路進(jìn)行運(yùn)行和調(diào)試，得出仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)原理一致。實(shí)踐結(jié)果表明：對(duì)于測(cè)控電路實(shí)驗(yàn)，引入仿真軟件，采用線上線下混合式教學(xué)，具有一定的可行性，能夠激發(fā)學(xué)生的積極主動(dòng)性，有助于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力；同時(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程無形融入的工匠精神對(duì)履行“立德樹人”有一定參考意義。

作為測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門重要課程，測(cè)控電路不僅是電子技術(shù)課程的深化與提高，更重要的是實(shí)現(xiàn)電子技術(shù)與測(cè)量、控制之間的互通[1]。根據(jù)精度、快速響應(yīng)、靈活性、可靠性的要求，測(cè)控電路主要分為信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)字與邏輯控制電路等，其中信號(hào)調(diào)理電路包括放大電路、信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)與分離、運(yùn)算電路、轉(zhuǎn)換電路等。該課程實(shí)踐性很強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的綜合運(yùn)用能力要求較高，不僅要學(xué)好理論，同時(shí)，還要具有對(duì)一些常用的電子儀器、調(diào)試電路、測(cè)試電路等進(jìn)行合理選擇和故障排查的能力。

測(cè)控電路實(shí)驗(yàn)的開設(shè)為該課程的學(xué)習(xí)提供了一定的支持，但是，隨著疫情的發(fā)展，往常按部就班的課堂教學(xué)充滿了不確定性，需要隨時(shí)做好線上線下教學(xué)[2,3]的無縫銜接準(zhǔn)備。對(duì)于師生來說，線下教學(xué)比較常規(guī)，但是線上教學(xué)卻存在各種未知因素，時(shí)刻挑戰(zhàn)著教學(xué)的有效開展。如何利用網(wǎng)絡(luò)資源合理有效地開展線上教學(xué)是很多教師都必須面臨和思考的一個(gè)問題。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)層面，學(xué)生無法到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，會(huì)導(dǎo)致部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容流于表面，形同虛設(shè)等問題。在此，筆者借助Multisim 仿真軟件，對(duì)測(cè)控電路的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)施，獲得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

1 線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

1.1 線下實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

在線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情況下，學(xué)生的課前預(yù)習(xí)直接影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度的開展，因此，為保證教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生需要提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)所用軟件、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等。針對(duì)實(shí)驗(yàn)所用軟件及其使用教程，筆者事先錄制相關(guān)視頻并上傳至學(xué)習(xí)通，學(xué)生需要提前安裝Multisim 軟件[4,5]，并觀看視頻，掌握該軟件的基本功能，同時(shí)，針對(duì)接下來要開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)視頻等進(jìn)行預(yù)習(xí)。該環(huán)節(jié)內(nèi)容學(xué)生是否完成以及完成度如何通過問卷調(diào)查進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

線上教學(xué)活動(dòng)采用釘釘會(huì)議進(jìn)行開展，考慮到繪制電路所需時(shí)間，教師需要對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行精講留白，簡(jiǎn)明扼要講解實(shí)驗(yàn)重難點(diǎn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行分析。在采用Multisim 軟件繪制電路時(shí)，教導(dǎo)學(xué)生需要耐心，切不可急躁，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很多時(shí)候不是一蹴而就，需要認(rèn)真調(diào)試及查找問題，具體仿真調(diào)試過程可參考如圖1 所示的進(jìn)行。

圖1 Multisim 軟件仿真流程Fig.1 Multisim software simulation process

當(dāng)所繪制電路調(diào)試不出想要的結(jié)果時(shí)，要想辦法去解決問題，可以從電路的正確繪制或者元器件的參數(shù)設(shè)置等方面進(jìn)行查看，切不可半途而廢。這種工匠精神的融入無形中鍛煉了學(xué)生的毅力，有助于學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度及創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)[6]。

1.3 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核

線上教學(xué)過程中，講解完畢后要對(duì)全程進(jìn)行監(jiān)控，學(xué)生需要按照實(shí)驗(yàn)任務(wù)和要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路繪制、電路仿真與調(diào)試，對(duì)于仿真結(jié)果要進(jìn)行結(jié)果分析和數(shù)據(jù)記錄，同時(shí)，將對(duì)應(yīng)的波形繪制出來。這一過程，教師要將一些共性問題進(jìn)行及時(shí)講解，同時(shí)，要求學(xué)生出現(xiàn)問題要及時(shí)解決。整個(gè)線上教學(xué)過程要根據(jù)考評(píng)要求并結(jié)合學(xué)生的具體表現(xiàn)當(dāng)堂進(jìn)行考核。

1.4 線下實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄，認(rèn)真撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以是電子版也可以是紙質(zhì)版，撰寫完成后，要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)上交。

2 實(shí)驗(yàn)案例

以電壓比較器為例展開線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。電壓比較器是用來鑒別和比較兩個(gè)輸入電壓大小的電路，比較器輸入的是模擬量，輸出的是數(shù)字量。具體的教學(xué)方案設(shè)計(jì)如上所述，這里主要針對(duì)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施展開說明。

2.1 電路繪制

電壓比較器主要分為電平比較器、滯回比較器和窗口比較器。其中電平比較器是最基本的比較器，當(dāng)一端輸入電壓為零時(shí)，就變成另一端電壓與零進(jìn)行比較，這種比較器又稱過零比較器。借助Multisim 軟件繪制過零比較器電路，如圖2 所示。

圖2 過零比較器Fig.2 Zero-crossing comparator

繪制過程中以放大器為中心，以信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)作為過零比較器的輸入，過零比較器的輸出用雙蹤示波器觀察。

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器“XFG1”可以產(chǎn)生方波、正弦波、鋸齒波3 種波形，其“+”和“-”對(duì)應(yīng)不同的極性，“COM”為共地端。

放大器反相輸入端經(jīng)電阻R1 接到函數(shù)信號(hào)發(fā)生器“XFG1”的“+”極；放大器同相輸入端直接接地；放大器輸出端接雙通道示波器“XSC1”的通道A。為比較過零比較器輸入和輸出，將輸入信號(hào)接到通道B。同時(shí)，放大器所在模塊接±15V 直流電源。此時(shí)作電壓比較器用的放大器工作在非線性狀態(tài)，滿足“虛斷”，但不再滿足“虛短”。

同理，可依次繪制出滯回比較器電路和窗口比較器電路，分別如圖3、圖4 所示。

圖3 滯回比較器Fig.3 Hysteretic comparator

圖4 窗口比較器Fig.4 Window comparator

2.2 仿真分析

對(duì)于過零比較器，當(dāng)輸入信號(hào)為頻率50Hz，幅值10V 的正弦波時(shí)，通過運(yùn)行軟件可得到仿真波形如圖5所示。其中，“1”為輸入波形，“2”為輸出波形，該編號(hào)對(duì)于滯回比較器和窗口比較器仿真波形同樣適用。

圖5 過零比較器仿真波形Fig.5 Zero-crossing comparator simulation waveform

由圖5 可知，當(dāng)輸入電壓大于等于0時(shí)，輸出一個(gè)低電位；當(dāng)輸入電壓小于0時(shí)，輸出會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，輸出一個(gè)高電位。該結(jié)果與過零比較器原理一致。

通過對(duì)過零比較器進(jìn)行電路繪制和仿真分析可以看出：過零比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)電壓反應(yīng)較靈敏。但是如果當(dāng)輸入信號(hào)疊加其他干擾信號(hào)時(shí)，根據(jù)過零比較器的原理特點(diǎn)易導(dǎo)致其抗干擾能力差，容易產(chǎn)生“振鈴”現(xiàn)象，此處學(xué)生可以自由加入一定的干擾信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。

同理，對(duì)滯回比較器電路和窗口比較器電路進(jìn)行仿真，波形分別如圖6、圖7 所示。通過分析波形，可以分別對(duì)滯回比較器和窗口比較器原理進(jìn)行驗(yàn)證。同樣，在整個(gè)仿真過程中，學(xué)生可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同的電路模型，進(jìn)一步去理解電壓比較器原理。

圖6 滯回比較器仿真波形Fig.6 Hysteretic comparator simulation waveform

圖7 窗口比較器仿真波形Fig.7 Window comparator simulation waveform

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)室受設(shè)備臺(tái)套數(shù)、儀器陳舊老化等限制，同時(shí)還經(jīng)常面臨設(shè)備維修等問題。引入Multisim 軟件進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)能夠有效避免這一問題，并且在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多樣性、元器件參數(shù)靈活修改等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，學(xué)生從頭到尾獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，一定程度上有利于其成就感獲得提高。但是，仿真實(shí)驗(yàn)也存在著缺少互動(dòng)性、監(jiān)管力度不夠、網(wǎng)絡(luò)擁擠、卡頓甚至斷網(wǎng)等問題。疫情防控期間，如何更好地運(yùn)用信息技術(shù)提高線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，接下來還需要進(jìn)一步研究。

引用

[1] 李醒飛.測(cè)控電路(第5版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2021.

[2] 焦建利,周曉清,陳澤璇.疫情防控背景下“停課不停學(xué)”在線教學(xué)案例研究[J].中國(guó)電化教育,2020(3):106-113.

[3] 謝幼如,邱藝,黃瑜玲,等.疫情防控期間“停課不停學(xué)”在線教學(xué)方式的特征、問題與創(chuàng)新[J].電化教育研究,2020,41(3):20-28.

[4] 馮成濤,儲(chǔ)開斌,郭俊俊,等.基于Multisim技術(shù)的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)改革[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2020,23(3):95-99.

[5] 任君玉.基于Multisim的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2022,20(3):57-63.

[6] 劉功曉,邵鴻翔.電工電子實(shí)訓(xùn)課程思政的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)設(shè)備工程,2022(4):240-241.