“卓越計劃”中電工電子虛擬實驗探索

【摘要】文章闡述了在“卓越計劃”執行中改革電工電子實驗教學，采用模塊化實驗教學方法，將Multisim10虛擬實驗平臺運用到電工電子實驗教學中的探索過程，介紹了虛擬平臺和Multisim10功能，肯定了虛擬實驗平臺在培養學生綜合設計和創新能力方面的作用。

【關鍵詞】卓越計劃 電工電子虛擬實驗 Multisim10 模塊化

【中圖分類號】G64【文獻標識碼】A【文章編號】2095-3089（2012）11-0223-02

1.引言

“卓越工程師教育培養計劃”（以下簡稱“卓越計劃”）是教育部促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措，旨在以實施卓越計劃為突破口，培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才。

浙江科技學院是一所致力于培養具有實踐能力、創新精神和國際素養的高素質應用型專門人才的大學，是教育部第一批執行“卓越工程師教育培養計劃”的高校之一。為了實現“卓越計劃”我校進行了一系列的教學改革創新。實踐教學是我校教學改革的重要環節，而電工電子實驗課程是工科類專業的核心課程，也是最基礎的實踐課程，因此電工電子實驗教學內容和教學方法的改革對學生綜合素質的提高、創新能力的培養和“卓越計劃”的順利實施具有很大的影響。

在電工電子實驗改革中，我們引進了模塊化的實驗理念，按專業、開設課時要求分基礎訓練、綜合設計、創新實驗3大實驗模塊。在各個模塊實驗中，不是學生簡單地按照教師制定的實驗步驟方法得到實驗結果，而是教師提出實驗要求、設計指標和主要參考儀器設備元器件，需要學生利用所學的理論知識，完成實驗方案、實驗電路的設計，列出實驗步驟，完成實驗和參數測試，這就需要學生反復不斷設計、實踐。使用現有的實驗設備臺套數不夠，一旦設計不合理線路錯誤會燒壞元器件，損壞儀器設備。而且隨著電子技術的高速發展，新技術和新方法不斷涌現，實驗硬件設備儀器的更新遠遠跟不上知識的推陳出新和電子技術的日新月異，這嚴重阻礙了學生的實踐和創新能力的培養。虛擬電工電子實驗平臺很好地解決了上述問題。

2.電工電子虛擬實驗平臺

電工電子虛擬實驗平臺是利用EDA技術在計算機上運用專業軟件完成電子設計、電路仿真運行、參數測試。在計算機上做電工電子路實驗所用的元器件、測試用的儀器儀表、導線以及電路連接等，全部由軟件模擬實現。教師可以利用虛擬元器件庫豐富的元器件方便地搭出各種電路演示給學生看，可以把最新的技術及時傳授給學生。學生隨時可以在虛擬實驗臺上運行教師要求的實驗，又可自主設計實驗，有利于學生動手能力、設計創新能力的培養。而且只要有計算機安裝專業軟件就可以實驗，提高了實驗設備利用率以及實現電子電路與系統的EDA，電工電子虛擬實驗平臺也是當今電子技術實驗室的一個發展方向。

隨著電子技術的發展，越來越多的計算機仿真軟件和虛擬儀器相繼出現，我們在電工電子虛擬實驗教學中選用了目前國際上比較流行和得到廣泛應用的Multisim10軟件。

3.Multisim 10軟件介紹

Multisim10仿真軟件是美國國家儀器有限公司（簡稱NI公司）推出的一款專門用于電子線路仿真與設計的EDA軟件，是迄今為止在電路級仿真上表現最為出色的軟件。有了Multisim10軟件相當于擁有了一個設備齊全的電工電子實驗室，它不受時間、地點、設備的限制，可以非常方便的從事電路的設計、仿真、分析工作。其特點如下：

3.1 Multisim10具有豐富的元器件庫：教育版有13000種元器件，為學習者提供了虛擬的3D面包板實驗平臺和3D元器件庫，使用者可以方便的搭建電路并在虛擬面包板上模仿電路行為。還配備了一個功能強大和有完整的原理圖的元器件編輯系統，可以方便的編輯元器件參數和創建新的元器件，使得元件庫中的元件與電子技術發展同步，滿足不同層次使用者的需要。

3.2 Multisim10具有多種常用的虛擬儀器儀表：儀器庫包含了示波器、函數信號發生器、IV特性分析儀、頻率計數器、掃頻儀、失真度分析儀、邏輯分析儀、邏輯轉換儀、頻譜分析儀、網絡分析儀和數字萬用表、功率表等10多種虛擬儀器。配備了仿安捷倫、泰克常用品牌的虛擬儀表。還可以運用LabVIEW實現完全自定義的虛擬儀器。

3.3Multisim10具有強大的仿真分析功能：提供二十多種分析功能。運用虛擬實驗平臺，通過仿真分析，不需要構造具體的物理電路，也不需要使用實際的測試儀器，就可以確定電子電路的工作特性。可以通過運用仿真數據來提高測試能力，減少失誤，縮短設計時間，增加設計量。

Multisim10界面形象直觀、操作方便，易學易用，有利于培養學生的綜合分析、開發和創新能力。

4.Multisim10運用于電工電子實驗教學

4.1 Multisim10在基礎訓練模塊中的應用探索

在電工電子基礎訓練實驗模塊中，主要為學生安排的教學內容之一是掌握電類基本的儀器儀表使用，如：示波器，毫伏表、函數信號發生器、萬用表，電源的使用。之二是配合理論教學的原理性分析實驗，例如：電路原理的網絡等效變換、RC回路的串聯諧振；模擬電路的單管放大電路性能指標測試、負反饋電路；數字電路實驗的門電路教學、時序邏輯電路的分析，555定時器的電路原理等等。這些原理性的實驗內容按照傳統的實驗方法需要大量的儀器設備，花費學生很多的正常學習時間才能完成。現在我們可以利用 Multisim10多種常用的虛擬儀器儀表庫和強大的仿真分析功能，把這類實驗安排在計算機上模擬分析。按照專業要求，電類專業選修電路、模電、數電電子技術實驗的同學，基礎訓練實驗在課外仿真實驗平臺上完成。物理儀器設備的使用，實際電子電路的連接調試在后續的綜合設計模塊中實現。非電類專業選修電工學實驗的同學挑選1、2個實驗在物理實驗臺上完成，大部分實驗內容要求在課外計算機上仿真修習。學生提交實驗報告，教師利用網絡平臺完成實驗指導，及時解決學生提出的問題。仿真教學打破了實驗室空間設備的限制，突出了教學以學生為主的模式，開闊了學生的思維。

4.2 Multisim10在綜合設計模塊中的應用探索

“卓越計劃”中為了提高學生的工程能力培養，在電工電子實驗中綜合設計實驗項目處在主要地位，教師提出設計任務，要求學生采用現代設計手段，先進的器件來完成設計要求，完成產品的制作和參數測定。提出的綜合設計題目如：函數信號發生器設計、電子溫度計設計、數字萬用表的設計、電子定時電路設計、電子遙控器設計等等，要求學生從多個設計項目中選擇1-2個綜合設計實驗項目，也可以自行擬題完成。綜合設計強調的是學生自主設計。但在電子科技高速發展的今天，新器件、新材料不斷出現，各實驗室由于實驗資金的限制不可能備齊最新的實驗器材，阻礙了綜合設計實驗的順利完成。而且在調試過程中一旦設計不合理，線路有錯誤，就會造成元器件燒壞，成功的希望也隨之破滅。Multisim10電子虛擬實驗平臺有豐富的元件庫，可以創建最新的元件和編輯參數，有各種各樣的儀器儀表，可以反復調試、仿真，不斷修正設計，事先排除大部分設計缺陷，然后利用實際元器件模型創建電路，最后將二者的仿真分析結果進行比較，使得設計更加合理。而Multisim10形象的電路仿真運行功能和強大的電路分析使學生在設計過程中獲得了無限樂趣，提高了學生的學習積極性。

4.3 Multisim10在創新實驗模塊中的應用探索

在創新實驗模塊中安排了開放實驗項目和電子競賽項目。如太陽能最大功率點跟蹤控制器設計、三相正弦波逆變電源設計等等。系統設計綜合性更強，電路更加復雜，需要學生掌握的知識更加廣泛，運用了一些集成度比較高的元器件，使用的分析儀器更加專業，常規功能的實驗室不可能備齊各種儀器設備和大量的元器件，很難滿足要求。而Multisim10電子實驗平臺有邏輯分析儀，頻譜分析儀、邏輯轉換儀等儀器為電路仿真提供了強大的保證，有豐富的元件庫，學生可以采用多種設計方案，不斷仿真調試，達到最佳設計，提高了學生的自學、探索和創新能力。

5.結論

實踐證明，電工電子虛擬實驗在“卓越計劃”執行中起到了培養學生工程能力、創新能力的作用，使學生掌握了先進的電子電路設計方法，彌補了硬件實驗教學的不足，為學生提供了廣闊的設計平臺，提高了學生工程實踐能力和就業競爭力。

但是仿真實驗只存在于虛擬實驗中，設計的最宗目的還是以產品形式體現，我們的學生所缺乏的實際操作能力是無法用虛擬仿真來獲得的。因此，將虛擬實驗與傳統硬件實驗有機的結合，實踐與理論相結合，培養創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才是我們努力的方向。

參考文獻：

[1]陳啟元.對實施“卓越工程師教育培養計劃”工作中幾個問題的認識[J].中國大學教育，2012.6

[2]林健.“卓越工程師教育培養計劃”專業培養方案研究[J]. 清華大學教育研究，2011.4，32（2）：47～55

[3]劉偉，賀曉等.電氣工程及其自動化專業卓越工程師培養模式探討[J].中國電力教育，2012.6

[4]白菊蓉，張寶軍. Multisim 應用于電路分析實驗教學的研究[J].西安郵電學院學報，2006.1

[5]陳瑞旭，張亞學，陳可中．NI Multisim 10軟件在單片機學習中的應用[J]．廣話大學學報（自然科學版）．2007（S1）：268-270．

作者簡介：

裘君英（1962），女，高級實驗師，浙江杭州人，主要研究方向為電子技術與自動化。