基于虛擬仿真的“電工技術基礎”課程應用案例研究

摘要：“電工技術基礎”課程抽象概念比較多，學生難以理解，傳統的實驗又具有一定的風險性，從而導致理論與實踐脫節，學生沒法利用理論知識來解決實際問題。針對該問題，文章以基爾霍夫電流定律、疊加定理和RL串聯電路為例，提出適當引入Multisim虛擬仿真軟件進行輔助教學，探索多樣化的教學等方法。實踐表明：所提教學方法能夠有效促進學生自主學習，全面激發學生的學習興趣，培養學生創新實踐能力，提升了“電工技術基礎”課程的教學質量。

關鍵詞：“電工技術基礎”；Multisim；虛擬仿真實驗

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：A

0 引言

“電工技術基礎”課程是職業學校電氣自動化技術專業一門必修的基礎課程，該課程內容涵蓋的理論知識較為豐富且難度較大，學生在掌握相關知識時常常面臨挑戰。在純理論教學的基礎上引入實踐環節，是本課程教學改革的關鍵。然而，傳統的電工實驗存在設備不足、實驗環境受限以及師資配比不足等問題，使得教學實踐活動難以正常開展^［1-2］。針對上述問題，本文適當引入Multisim虛擬仿真軟件作為輔助教學工具，根據不同的教學案例，將虛擬仿真實驗貫穿于各個教學環節，以積極探索理論與虛擬仿真實驗相結合的創新教學模式。

1 Multisim應用到“電工技術基礎”課程中的優越性

由于學生具備初中物理知識，相對容易理解“電工技術基礎”課程中的基本概念，如歐姆定律。然而，歐姆定律無法解決復雜的直流電路問題。這就需要運用基爾霍夫定律、疊加定理等更為復雜的理論，而這些內容往往令學生感到困惑。交流電路中的方向性問題是“電工技術基礎”課程的一大難點，學生常常用直流電路的思路來分析交流電路。僅依靠理論講解，學生難以全面掌握這些難點^［3］。在電工技術電路的仿真應用方面，Multisim 展現出無可比擬的便捷性和優越性^［4］。

1.1 以學生為中心的課程教學

將 Multisim仿真軟件引入電路仿真實踐教學，打破了以教師為中心的教學模式^［5］。由于學生前幾次實驗課中對Multisim仿真軟件尚不熟悉，教師需要集中演示如何運用該軟件搭建電路模型，以便讓學生通過仿真實驗驗證理論知識。同時，引導學生針對不理解的知識設計虛擬仿真實驗進行驗證，組織小組討論。在學生掌握了Multisim仿真軟件的使用方法后，教師可在課程開始前通過學習通平臺上傳預習資料并發布學習任務，如短視頻、實驗手冊等相關材料。此時，學生不僅能夠利用仿真軟件驗證理論知識，還可以提前預習相關內容，提出猜想并展開討論^［6］。合理的教學設計使得仿真軟件的應用貫穿于整個教學過程，有效激發了學生的主觀能動性。

1.2 理論知識與實踐相結合

在“電工技術基礎”課程的教學過程中，如果教師僅講授理論知識，那么學生往往難以深入理解相關內容。因此，在課堂教學中引入實驗環節，以增強學生對理論知識的掌握程度^［7］。然而，若采用實際操作實驗，則須考慮師資配置問題。例如：在四五十人的班級規模下，至少需要2名教師同時指導，否則可能會因監管不力而引發觸電等安全隱患^［8］。基于此，為滿足不同課程設計的需求，可適當引入Multisim仿真實驗環節，使學生在實踐過程中進一步深化對理論知識的理解，提高應用能力。

1.3 仿真與實物操作相結合

在“電工技術基礎”后續課程中，將安排電工工藝、中高級維修電工等實操課程，鑒于學生缺乏實踐經驗，直接進行實際操作可能會導致無從下手的情況，甚至存在一定的安全隱患。因此，在理論課程中引入仿真實驗環節，能夠有效幫助學生熟悉操作流程，減少實操中的錯誤率，從而提升實驗效率并降低教學成本。

2 Multisim在“電工技術基礎”課程中的應用實例

2.1 基爾霍夫電流定律

2.1.1 學生存在的難點

（1）學生對電流流入或流出結點的概念理解不夠清晰，容易混淆參考方向的正負判定；（2）作為“電工技術基礎”課程中的首個虛擬仿真實驗，學生尚未熟練掌握Multisim軟件的操作方法。

2.1.2 基爾霍夫電流定律教學設計

本次虛擬仿真實驗作為“電工技術基礎”首個實驗，學生需要通過該實驗掌握利用Multisim 軟件平臺搭建電路模型的基本步驟。因此，本設計將課程理論教學與虛擬仿真實驗進行了分離。教師先以課堂教學形式傳授基爾霍夫電流定律的原理，再統一引導學生到機房學習如何使用Multisim 軟件平臺搭建電路模型。學生在教師的引導下，依照基爾霍夫電流定律搭建電路，如圖1所示，將實驗中測的電流數據填入表1。

將I2的參考方向改變，如圖2所示，將測得的電流數據填入表1。

2.1.3 實驗結論

對于a節點，通過2個實驗進行測試：在實驗1中，設置I1、I2的電流為流入，而I3為流出，遵循基爾霍夫電流定律，I1+I2-I3=5.066+1.99-7.058≈0；而實驗2中，設置I1為流入電流，I2和I3為流出電流，根據同樣的定律，I1-I2-I3=5.066-（-1.99）-7.058≈0。

通過這些實驗發現：在列基爾霍夫電流方程時，學生只須關注電流的參考方向，而不需要考慮實際測量的電流正負。這表明在實驗過程中，參考方向的選擇并不影響最終的計算結果。因此，這加深了學生對參考方向選擇的理解。

2.2 疊加定理

2.2.1 學生存在的難點

（1）部分學生在繪制各電源單獨作用時的分電路圖時存在困難，甚至有些學生認為步驟較為煩瑣，因此不愿動手作圖；（2）在求出分電路的電流后，進行疊加時容易出現方向錯誤；（3）學生對疊加定理僅適用于求解電壓和電流，而不能用于功率計算的原因理解尚不透徹。

2.2.2 疊加定理教學設計

學生根據疊加定理，依據實驗手冊中的電路圖分別搭建在電源共同作用下和單獨作用下的模型，如圖3所示。按照實驗手冊的要求設置相應的參數，逐一測量各支路電流，填寫表2，以分析這些電流是否符合疊加定理。

在本實驗中，通過電流表極性的擺放位置，固定了I1 、I2、I3的方向，其中I1為流入，I2和I3均為流出結點a。在此基礎上，教師設計了拓展環節，引導學生通過調整電流表極性的位置，從而改變I1 、I2、I3對結點a的流入與流出方向。學生在這一過程中能夠輕松掌握疊加下方向問題的處理方法，有效化解本課中的難點。

2.2.3 實驗結論

通過實驗發現：（1）I 1 = I1′ +I 1″ ；I 2 = I2′+ I2″ ；I 3 = I 3′ + I 3″。測量得到的3組數據與上述規律符合，驗證了疊加定理。（2）在拓展訓練中，引導學生探討電流疊加時方向的問題，當分電路中的電流方向與參考方向一致時，記為正值，反之，則記為負值。

2.3 RL串聯電路

2.3.1 學生存在的難點

學生在理解總電壓與電阻、電感的電壓之間的關系時，常常面臨困難。在處理交流電路時，他們容易以直流電路的思維進行分析，從而忽視了相位問題。

2.3.2 RL串聯電路教學設計

課前，學生根據RL串聯電路仿真實驗手冊上的電路圖搭建模型，如圖4所示。按照實驗手冊設置相應的參數，分別測量總電壓、電阻及電感上的電壓，填寫表3，隨后，嘗試分析這三者之間的關系，在學習通平臺上進行分組交流與討論。

課堂中，教師展示學生預習成果，引導學生思考總電壓與電阻及電感上的電壓之間的關系。教師通過矢量圖的方法分析三者之間的電壓關系，然后利用仿真結果進行驗證，以加深學生對理論知識的理解。

2.3.3 仿真實驗結果

（1）電壓大小關系：U=U²_R+U²_L；

（2）電壓和電流的相位關系：總電壓和電流的波形如圖5所示。在RL串聯電路中，電壓超前電流，表明電路具有感性特征。

3 結語

通過 Multisim 仿真軟件進行實踐教學，學生能夠有針對性地自主設計仿真實驗，在小組討論中積極參與，這大大激發了學生對“電工技術基礎”課程的學習興趣。同時，在教學過程中，引入Multisim 仿真環節，不僅調動了學生的學習熱情，還活躍了課堂氛圍，增強了學生的學習積極性。根據不同課程需求，將虛擬仿真實驗應用于課前、課中、課后等各個環節，不僅有效節省了課堂時間，也為學生提供了預習和復習理論知識的良好機會。

參考文獻

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［8］劉靖.虛擬仿真在中職電工電子課教學中的應用研究［J］.天津職業院校聯合學報，2023（25）：72-76.

（編輯 王永超）

Case study on the application of “Fundamentals of Electrical Technology” course based on virtual simulation

CHEN Ling

（Wuxi Mechanical and Electrical Vocational and Technical College， Wuxi 214000， Cnina）

Abstract：There are many abstract concepts in the course of “Fundamentals of Electrical Technology”， which are difficult for students to understand. Traditional experiments also have certain risks，this leads to a disconnect between theory and practice， and students are unable to use theoretical knowledge to solve practical problems. In response to this issue， this article takes Kirchhoff’s current law， superposition theorem， and RL series circuit as examples to propose the appropriate introduction of Multisim virtual simulation software for auxiliary teaching and explore diversified teaching methods. Practice has shown that the proposed teaching method can effectively promote students’ self-directed learning， comprehensively stimulate their interest in learning， cultivate their innovative practical abilities， and improve the teaching quality of “Fundamentals of Electrical Technology” courses.

Key words：“Fundamentals of Electrical Technology”; Multisim; virtual simulation experiment