Multisim在電工電子技術實驗教學中的應用

摘 要：電工電子技術實驗是電工電子技術課程的重要組成部分，是培養學生實踐能力和創新能力的重要環節。當前電工電子技術實驗教學因受實驗儀器設備、實驗場地、排課時間等因素的制約，使得實驗教學效果和學生學習成效不佳。針對這一現象，教學團隊將Multisim仿真技術融入工電子技術實驗教學，從實驗內容、實驗教學模式、實驗時效性等方面進行改革，逐步形成了“虛實結合、線上線下一體化”實驗教學模式。教學實踐表明，融入Multisim仿真技術的電工電子技術實驗教學改革，能有效激發學生的主觀能動性和創新性思維，提升學生實踐動手能力和應用理論知識解決實際問題的能力。

關鍵詞：電工電子技術實驗 Multisim 教學改革 教學模式

電工電子技術集合了電路、模擬電子技術、數字電子技術等知識，是非電類工科專業學生必修的一門專業基礎課。該課程兼顧有較強的理論性和實驗性，因此在課程學時安排中開設有實驗教學環節。電工電子技術實驗是理論教學的補充[1]，更是對所學理論知識的鞏固、驗證和應用；為學生構建完整的基礎知識體系、培養嚴謹務實的精神和創新意識發揮著重要作用[2]。隨著虛擬仿真技術和新媒體技術的不斷發展與應用，僅依賴專用實驗儀器設備的實驗教學模式，已不能滿足當前形勢下的實驗教學需求；傳統電工電子技術實驗受設備、場地、時間的限制[3-4]，不利于學生能力的培養。鑒于此，教學團隊著手從實驗教學內容、教學模式等方面進行改革研究，最終以Multisim仿真軟件為依托，將Multisim仿真技術融入傳統實驗教學，虛實結合，構建自主體驗式和探究式實驗教學新模式。

1 電工電子技術實驗教學存在的問題

電工電子技術是柳州工學院車輛工程、汽車服務工程等汽車類專業的一門學科基礎課，該課程經歷了從32學時純理論、到40學時理論+8學時實驗、再到40學時理論+16學時實驗的發展過程。從學時設置看出，電工電子技術實驗在該課程的地位以及在整個人才培養中的重要性。近年來，教學團隊在電工電子技術實驗教學中發現存在以下問題。

1.1 實驗內容可拓展性較差

依托現有固定式電路實驗臺、實驗箱等儀器設備進行設置實驗內容，側重于對理論知識的驗證，設計性實驗和綜合性實驗相對較少。實驗內容可拓展性較差，無法較好地訓練學生創新性思維、培養綜合應用與設計能力。教學儀器設備更新換代周期相對較長，實驗內容更新慢，容易造成與學生學情不匹配、脫離工程實踐等現象。

1.2 實驗教學模式較為簡單

實驗教學中，指導教師主要采用講授式+演示法的教學模式進行授課；學生通過聽教師講授，觀看實驗演示操作，對照指導書中的實驗要求和步驟進行實驗。縱觀整個實驗教學過程，學生被動參與實驗，機械式地完成實驗操作，缺乏對實驗內容、要求、步驟等的思考，不利于發揮學生的主觀能動性。

1.3 實驗的時效性較差

在以往的教學中，通常將實驗教學安排在完成理論教學之后，容易造成實驗與理論的脫節，不利于學生應用所學理論指導實驗操作，也起不到對理論知識理解和鞏固的作用。

2 融入Multisim的電工電子技術實驗教學改革

Multisim是美國國家儀器推出的一款集成了豐富虛擬元件和儀器儀表，能夠進行電子電路設計、測試、仿真的軟件[5]，該軟件被廣泛應用于電子電路教學和工程實踐等領域。為解決當前電工電子技術實驗教學存在的問題，使實驗教學真正起到輔助理論教學、培養學生應用能力和創新能力的作用。教學團隊將Multisim仿真技術融入實驗教學中，從實驗內容、實驗教學模式、實驗時效性等方面進行改革。

2.1 實驗內容的改革

為了擺脫實驗內容設置受實驗條件的限制，拓寬實驗教學內容，豐富實驗類型，教學團隊在保留原有實驗內容的基礎上，基于Multisim仿真軟件，圍繞著理論知識點，設置了不同內容和類型的虛擬仿真實驗。已形成驗證性、設計性和綜合性實驗相結合、虛實相交的實驗內容。新增虛擬仿真實驗如表1所示。虛擬仿真實驗的加入，加深學生對概念和原理的理解，加強學生獨立思考能力和實踐應用能力的培養。此外，Multisim仿真技術的融入，有效地減少因實驗操作不當造成的器件損壞和安全隱患，增加學生實驗過程中試錯的機會，為學生創新能力的培養提供幫助。

2.2 實驗教學模式的改革

電工電子技術實驗課程傳統教學模式下，實驗專用器材投入較大，指導教師配備人數較多、設備利用率和教師工作效率不高；學生主動參與實驗設計的機會不多，缺乏獨立思考的過程。隨著虛擬仿真技術和互聯網技術在教學過程中的廣泛應用，為電工電子技術實驗教學模式的改革提供了思路。本實驗課不僅融入了Multisim仿真技術，同步采用了“超星學習通”網絡教學平臺，形成了“虛實結合、線上線下一體化”實驗教學模式。實驗教學流程如圖1所示。此模式流程下，學生主導整個實驗過程，其主觀能動性和創新性得到充分發揮，也充分體現了教學以學生為中心。

2.3 實驗時效性的改革

教學團隊認真梳理理論和實驗教學內容及課時分配，分析過往幾屆學生的理論教學進度，重新制訂實驗教學進度計劃。當前，教學團隊進行課程教學大綱和教學日歷的修訂，做好理論與實驗教學內容與進度上的匹配，規劃好課程整體教學進度；在學校教務部門下達排課任務時，將規劃好的教學進度上報給教學秘書進行排課；完成排課后，任課教師應嚴格遵照教學進度開展相應的教學活動，以此真正保障電工電子技術實驗的時效性。

3 融入Multisim的實驗教學實例

電工電子技術實驗融入Multisim仿真技術后，增加了設計性實驗內容，以此進一步加強學生應用理論知識解決實際問題能力和創新性思維的培養。以組合邏輯電路實驗為例說明基于Multisim的電工電子技術實驗開展情況。

3.1 實驗任務要求

請在Multisim中利用與非門設計一個三人表決電路，要求能實現：當有兩人或兩人以上同意時、表決通過，否則表決不通過；并對設計的電路進行仿真驗證。

3.2 分析與設計過程

依據實驗任務中三人表決要求，設計三人分別用Ａ、B、C表示；每人在表決時，同意用1表示，不同意用0表示；表決結果用F表示，當F通過用1表示，反之不通過用0表示。以此邏輯關系，可將投票情況和結果用真值表表示，如表2所示。

綜合真值表的數據可以得到邏輯表達式①：

從邏輯表達式①可以看出，搭建三人決定電路實現實驗任務表決要求，需要三組兩輸入與門，和一組三輸入或門。但實驗任務中已明確使用與非門進行電路設計，因此需要將邏輯表達式①進行變換，得到與非關系的邏輯表達式②：

依據表達式②中三人之間的關系可知，本次表決電路需用到三組兩輸入與非門，和一組三輸入與非門，因此設計如圖2所示的三人表決電路。其中選定三組單刀雙擲開關S1、S2、S3分別表示Ａ、B、C三人，X1、X2、X3三組藍色指示燈分別表示三人各自投票狀態，X7紅色指示燈表示三人表決的最終結果；藍色和紅色指示燈亮起時表示同意或通過，熄滅時表示不同意或不通過。

3.3 仿真結果與總結

依據邏輯表達式②衍生設計的三人表決電路（圖2），基本達到了實驗任務要求，初步實現了三人表決功能。但電路相較粗糙，未考慮各元件在真實應用時的連接關系和供電需求。因此，學生需在利用實驗箱進行傳統實驗操作時，進一步優化此電路，切實利用實際元件完成本次實驗任務。此外，從設計過程中可以看出，實現三人表決功能不局限于與非門，還可以利用與門和或門的組合實現。在實際應用中，可根據所具備的條件，靈活使用元件進行電路設計。經過此次實驗，學生實現了對自我理論所學的檢驗，鍛煉了自我獨立思考和設計能力、實踐動手能力、解決問題的能力。

4 結語

柳州工學院車輛工程專業電工電子技術課程，自2020級開始，教學團隊重構教學內容、修訂課程教學大綱，并嘗試將Multisim仿真技術融入理論和實驗課程教學，歷經兩屆學生的教學改革和實踐，初見成效。車輛工程專業2018-2021級電工電子技術課程考核中，及格率從開始的54.49%提升至92.05%；優秀率從0.64%提升至11.41%；學生在該課程的綜合成績明顯提升。教學團隊持續進行電工電子技術實驗教學改革，豐富實驗教學內容和案例庫，規范實驗教學流程和實驗評價機制，逐漸形成系統化的實驗教學模式，為本課程實驗教學實施保駕護航，同時也為其他類型實驗課的教學改革提供參考。

基金項目：2022年廣西民辦教育科學規劃課題“基于線上教學平臺數據分析的民辦高校教學策略研究”（項目編號：2022MBZX24）；2020年度柳州工學院教學改革研究和實踐項目“基于Multisim仿真的電工電子技術實驗教學資源建設”（項目編號：2020JGCY016）。

參考文獻：

[1]胡振濤，秦春斌，肖啟陽，等.新工科背景下模擬電子技術實驗課程教學改革與實踐路徑研究[J].中國現代教育裝備，2024（07）：72-74.

[2]梁蘭，何青，姜言冰.新工科專業人才培養模式下模擬電子技術實驗教學改革探索[J].中國現代教育裝備，2024（19）：72-74.

[3]梁占紅，廖曉輝，胡玉霞，等.基于虛實結合的電路實驗混合式教學探索與實踐[J].實驗科學與技術，2022，20（06）：89-92.

[4]張文正.無課堂自主學習模式在電工電子實驗教學中的實踐[J].浙江水利水電學院學報，2021，33（06）：76-80.

[5]王磊.Multisim仿真在電工電子實驗中的應用[J].科技創新與應用，2022，12（07）：179-181.