MATLAB仿真技術在“電路”課程教學中的應用研究

摘要：針對“電路”課程理論抽象、與實際問題結合緊密、實踐性強的特點，結合電氣工程及其自動化專業人才培養目標及素質教育，確立了電路課程的教學目標，探索了理論與實踐教學中各階段的教學方法。通過MATLAB在電路實踐教學中的實例，論證了MATLAB仿真與電路理論教學相結合的可行性與必要性。

關鍵詞：電路；仿真技術；教學模式；應用

中圖分類號：G642.421 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）26-0042-02

“電路”課程是高等學校電氣工程及其自動化專業的重要基礎課，課程知識是對實際問題的抽象研究。電路課程不涉及具體電器元件，主要講述電路的一般分析計算方法，具有較強的理論性。該課程介紹電路理論的基本知識、基本理論及基本方法，為后續專業基礎課及專業課的先修課程。作為一門理論性、實踐性都較強的課程，其教學目標是使學生獲得電路理論方面的基本理論、基本知識和基本技能，培養學生分析問題和解決問題的能力，為深入學習后續課程打好基礎。[1]

針對該課程的特點，為了盡快引導學生入門，在理論授課、實踐教學中引入仿真技術，幫助學生對各知識點的理解和掌握。MATLAB作為強大的仿真工具，對學生直觀地、高效地理解電路的相關理論知識點有很大的幫助。筆者在教學中進行了一定的探索和研究。

一、仿真技術在電路理論教學中的應用

電路課程的主要內容包括理論教學、實驗教學等，如何激發學生的自主學習能力是一個關鍵。為了能夠進行有效的課堂教學，激發學生的主觀能動性，加深對電路相關知識點的理解，提高學生分析問題、解決問題的能力，應該利用仿真技術將理論與實踐相結合，貫徹以教師指導、以學習者為中心的學習方式。

1.傳統理論教學存在的問題

“電路”課程作為電氣工程及其自動化專業的重要基礎理論課，為學習電氣專業知識起到關鍵作用，結合新疆農業大學學生的實際情況，“電路”課理論教學存在的主要問題有：教學內容過于抽象，學生覺得難以理解，學習效率較低；電路的定律多，學生不易掌握和應用；電路的分析方法多，課堂學時有限，不能將所有問題都涉及到。學生如何做到舉一反三，在課余的學習過程中怎樣能夠驗證對某一問題分析的正確性。

因此在教學中采取何種教學模式，如何全面、系統、有效地教授該課程，激發學生的興趣，提高學生的積極性、主動性及自學能力，成為教師需要解決的問題。

2.仿真技術在電路理論教學中的應用

根據前述電路理論教學中存在的問題，需要對傳統的電路理論教學方法進行改革，而教學方法的改革離不開對教學內容的更新優化和對教學模式的改革。將MATLAB應用到電路課的理論教學及實踐教學中，可以很好地解決上述問題。主要表現在：

第一，將抽象的問題形象化，將復雜的問題簡單化，從而激發學生的興趣，提高學生學習的效率；第二，通過MATLAB對分析的問題進行電路建模時可以對已學電路的定律及電路分析方法有更深入的認識。

例如在學習電路網絡理論中要涉及矩陣知識，學生在初學二端口電路端口特性的時候，經常會遇到要計算參數矩陣的問題，要計算一個電路的多種參數矩陣，或者問題涉及到二端口電路的互連，題目的計算量可能就會相當繁重，這使學生對知識的理解和應用都會有一些困難，而借助MATLAB這一數學軟件來進行矩陣計算，[2]學生就可以克服計算上的困難，通過編程同樣可以達到對電路理論和方法的學習，并激發學生對后繼課程更大的興趣。

算例1：信號源（其內阻為）與負載（）相匹配，在其間插入一阻抗匹配網絡，如圖1所示，已知，，。若，求負載吸收的功率。

從上述過程可以看出學生利用MATLAB軟件解題。首先可以簡化計算，使學生從復雜的計算中解脫出來；其次，在建模過程中學生通過利用電路定律及電路方法分析問題，提高學生對電路知識的應用及理解，提高了學生分析問題和解決問題的能力；再次，利用MATLAB編制程序，鍛煉了學生編程能力，提高了學生的綜合素質。最后，可以直觀地看到運行結果。

二、仿真技術在電路實踐教學中的應用

電路實驗是電氣工程專業接觸本專業的第一門實踐課程，是培養學生動手能力的重要環節，這種能力不僅僅是實踐操作能力，更重要的是創造性思維能力。

1.傳統實驗教學存在的問題

傳統實踐教學存在的問題：第一，驗證實驗占主要地位。從實驗內容上可以看出大多實驗是驗證實驗，從實驗手段上看，大多實驗是在規定的時間內按照規定的實驗線路和實驗步驟進行的。第二，教師講解代替學生預習。為了讓學生在規定的時間內完成任務，老師詳細的講解實驗，學生完成操作，未能發揮學生的積極主觀能動性。第三，學生缺乏實驗興趣，缺乏實驗的主動性。大多數學生知識停留在認知過程，缺乏深層次的理解。

2.仿真技術在電路實踐教學中的應用

（1）完善基本規范型實驗。根據專業培養目標及教學計劃，制訂了實驗教學大綱，并根據專業培養計劃的要求，及時調整相關實驗內容。實驗教學內容的安排，重點是培養學生實踐能力，即根據實際電路，分析電路結構及建立相關的數學模型，可以編寫出相應的程序或電路模型，并能獨立解決調試程序中遇到的問題，改變了過去的單一驗證性實驗，培養了學生的探索創新精神。

基本規范型實驗是學生通過實驗對電路中基本知識、基本理論、基本方法最直接的理解途徑。通過MATLAB仿真軟件對電路的仿真，使學生不僅對電路理論有了更深的理解，同時對電路的實驗設計及電路設計有了初步的認識。通過仿真學生將理論計算、仿真計算及實測值進行對比分析，提高學生分析問題的能力。

算例 2：基本規范實驗——基爾霍夫定律的驗證

1）基爾霍夫定律的驗證實驗原理圖（見圖2）

2）利用Simulink搭建仿真電路圖（見圖3）

學生通過仿真首先可以直觀看到仿真結果，可以激發學習的興趣，加強學習的目的性，其次可以將仿真結果與理論計算及實測值進行對比分析，引導學生進一步思考和討論，增強認識，找到誤差原因，提高學生分析問題的能力。

（2）改革實驗內容，研究拓展性實驗。拓展性實驗是實踐教學內容改革的重點和難點，筆者在實驗課程中開設研究拓展性實驗，以培養學生創新能力。

電路課程雖然是一門專業基礎課，但對學生電路的分析能力要求較高。為了通過實踐教學提高學生分析電路的能力，筆者通過拓展研究型實驗來訓練學生的思維，達到舉一反三，提高學生的能力。

此部分要求學生自己設計并搭建電路。首先由學生利用MATLAB仿真軟件對所設計電路進行仿真模擬實驗過程，并進行合理性與可行性分析。如果合理，即可進行下一步驟，否則重新進行電路設計，直到合理。完成實驗后，還可將測量結果與仿真值進行比較，并分析誤差存在的原因。實踐表明將MATLAB仿真軟件應用到電路實踐教學中對提升學生興趣、激發學習熱情、提升綜合實踐能力有良好的推進作用。

二、仿真技術應用于電路教學的特點及效果

通過多年教學實踐得出以下結論：一是課程實行了理論教學與實踐內容相結合的改革，目標明確。依據教學大綱的要求和實踐教學的目的，選擇能夠貫穿實踐能力培養的實踐項目，教學內容在逐步完成實踐項目的過程中展開，課內課外訓練并行，通過完成實踐項目的訓練過程培養學生設計電路的特點。二是基礎理論教學內容能即時通過軟件仿真驗證，說服力強，學生印象深刻。三是各實踐環節彼此關聯，從小到大，從簡到繁，從局部到整體，層層推進，形成了一個完整的實踐教學模式。四是仿真技術應用于電路教學中，成為教學的有意補充，教學效果良好，學生反映較好。

三、結論

根據“電路”課程的特點，構建了理論教學、基本規范實驗、拓展探究型實驗相結合的教學活動，實現了傳授、學習、實踐等教學全過程的模式改革。通過這些實踐教學活動，使學生積累了實踐活動的經驗，激發了學生濃厚的創新意識，強烈的實踐參與意識，為后續專業課程的學習奠定了很好的基礎。

參考文獻：

[1]邱關源.電路[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]陳懷琛，吳大正，高西全.MATLAB及在電子信息中的應用[M].北京：電子工業出版社，2008.

[3]潘丹青， 潘矜矜.基于能力培養的電路基礎實踐教學研究與實踐[J].桂林工業高等專業學校學報，2012，66（2）：200-202.

[4]孫玲，張威，彭飛.EDA技術在“電路”課程教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2012，34（5）：97-98.

（責任編輯：劉翠枝）