仿真分析與“三電”課程教學融合的教學方法

趙 虎， 楊 藝， 丁黎明， 黃現蓮， 張 伶， 石萬里

(北方民族大學 電氣信息工程學院， 寧夏 銀川 750021)

仿真分析與“三電”課程教學融合的教學方法

趙 虎， 楊 藝， 丁黎明， 黃現蓮， 張 伶， 石萬里

(北方民族大學 電氣信息工程學院， 寧夏 銀川 750021)

提出了將Multisim仿真分析引入“三電”理論教學中的“仿真分析—理論解釋—實例應用”的教學方法。該教學方法有利于學生對理論內容的理解和認識，使學生帶著問題學習理論知識，激發了他們的學習興趣，同時，也激發了他們通過實驗驗證理論內容的求知欲。該教學方法在實踐中應用取得了較好效果，為學生更好地掌握“三電”課程的理論奠定了基礎。

三電課程； Multisim仿真分析； 教學方法

“三電”課程是指“電路原理”“模擬電子技術”和“數字電子技術”3門課程。“三電”課程不僅是電類專業的公共基礎課，而且是化工過程控制、醫學影像、材料工程等非電類專業的技術基礎課[1]，也是工科院系的平臺課程。“三電”課程的教學質量和教學效果直接影響到學生的后續專業課程學習。因此，在有限的課堂教學時間內，盡可能多地讓學生掌握專業知識、啟發他們的思維，是“三電”課程教學改革的重要內容。

目前，最好用、最適用于“三電”課程的仿真軟件當屬Multisim。Multisim軟件中有大量的元器件庫和虛擬儀器，還有各種分析工具和分析方法，如交流分析、瞬態分析和頻率分析等[2]。Multisim為“三電”課程的教學和實驗提供了廣闊的空間。充分發揮該軟件在教學和實驗中的優勢，將其融入日常的“三電”理論教學當中，也是將EDA(electronic design automation)技術引入課堂教學的有益嘗試。

1 “三電”教學中的問題

很多學校的“三電”課程課堂教學仍然采用理論講解—公式推導—例題分析的模式，課堂教學主要以理論講授為主，理論計算較多。當教學內容涉及微分方程和放大電路的分析時，理論講授就顯得較為復雜和繁冗，學生缺少主動的思考，教學效果不盡如人意。

學生在“三電”課程學習過程中存在以下問題。

(1) 學習興趣不濃。對于理論分析和公式推導有一種厭煩心理，學習效果不理想。

(2) 只會解題，不會應用。例如對于一個典型電路，只會用固定的模式計算相關參數，而對電路的應用卻不十分清楚，也就是沒有做到“學而思”。

(3) 對實驗課內容缺少思考，表現在對儀器的使用、實驗目的和實驗內容不清楚，往往在一節實驗課結束后，感覺并沒有掌握多少新知識，動手能力也沒有提高多少。

基于“三電”課程教學和實驗教學中存在的問題，我們申請了寧夏回族自治區高等教育本科教學質量工程“電工電子教學團隊”立項建設項目，并基于此提出了將仿真分析融入“三電”理論教學的教學方法改革，以期在“三電”課程的教學中實現仿真實踐和理論教學相互促進的新的教學模式。

2 仿真分析的教學方法

我國教育工作者在將Multisim軟件用于電工電子實驗教學方面做了許多十分有意義的探討和實踐，將Multisim應用于數字電路實驗中，運用Multisim虛擬仿真技術建設了電工電子實驗室，利用Multisim對電子電路綜合設計進行了改革，在數字電路教學和電工電子教學中有很多成功的應用[3-5]。

仿真分析的教學方法就是在“三電”理論課程教學中，對于理論計算和推導過程較多的教學內容，先通過Multisim仿真觀察和分析電學現象，使學生有一個初步的感性認識，讓學生帶著“為什么會有這樣的現象”的問題進入課程的理論學習。在相關內容的理論分析的過程中，將理論分析的結果和仿真實驗的結果進行對比，用科學理論解釋在實際仿真中出現的現象，最后將理論內容拓展到實際應用，通過理論和仿真相結合的方法來闡明理論教學內容。

本教學改革針對“三電”課程中理論知識內容較多、計算較為復雜、學生不易接受的問題，將仿真分析的方法引入理論教學，提出仿真分析—理論解釋—實例應用的“三電”課程教學方法。

3 仿真分析在“電路原理”理論教學中的應用

戴維南定理是“電路原理”課程中重要的基本定理之一。該定理在純電阻電路、受控源電路、正弦穩態電路等電路分析中有廣泛應用，該定理的使用貫穿電路課程的始終，在電類專業課程的分析中也多次用到[10]。

然而，一些學生對該定理掌握得并不好。因此，在講授過程中，采用先用Multisim電路仿真進行分析的教學方法。戴維南定理的仿真電路如圖1所示。該電路是一個既非串聯、也非并聯的電路。對于圖1所示電路，取支路電阻R6上的電流i6，用基爾霍夫電流和電壓定律以及網孔法、節點法，就顯得十分復雜，計算量也很大。

圖1 戴維南定理仿真電路

用仿真的辦法，先測得該支路電流i6=-0.958 mA后，再將電壓源V1置“0”(短路)，測得等效電阻Req=440.297 Ω，將R6去除測得開路電壓Uoc=-1.379 V，這時可以畫出圖2所示的等效電路。再次測量支路R6上的電流，仍然是i6= -0.958 mA。

圖2 戴維南定理仿真電路的等效電路

通過上述的仿真分析，學生可以看到圖1虛線框中的電路和圖2虛線框中的電路是等效的，即一個較復雜的電路可以等效為一個電壓源和一個電阻的組合，并且這一等效電路對同一個負載R6，其支路電流是不變的。

當學生有了感性認識后，對于戴維南定理——“任何一個線性含源二端網絡，總可以等效為一個電壓源和一個電阻的串聯”，學生就更容易理解。運用這種教學方式引入一個新的教學內容，學生不會覺得十分突兀，并且會對仿真分析的內容十分感興趣。通過對一個實例的分析說明一個定理的內容，學生會帶著“為什么會這樣”的問題深入學習下去，對于定理的認知程度明顯加深。對于復雜電路中無需分析的電路部分，也可以用簡單的等效電路替代，只留下需要分析的電路，這樣大大簡化了電路分析的復雜程度，這也就是戴維南定理的意義和主要應用。

對于電路原理中涉及理論性較強的內容，都可以先進行仿真分析，再講解理論，最后說明定理和電路的應用。這樣，學生會接受得更好，理解得更深刻。

4 仿真分析在“模擬電子技術”理論教學中的應用

“阻容耦合單級放大電路的分析”是模擬電子技術課程中非常重要的內容，只要對單級放大電路的分析掌握透徹了，學習多級放大電路、負反饋放大電路、差分放大電路、功率放大電路就不再困難[11]。因此，如何更好地講授這部分理論內容，讓學生帶著問題、有興趣地探究學習，是模擬電路理論課程教學的關鍵問題。

首先，在講授理論知識前，用Multisim軟件對阻容耦合單級放大電路進行仿真分析。單級放大電路仿真如圖3所示。

圖3中信號源輸出峰值10 mV、頻率1 kHz的正弦波信號，首先用示波器觀察輸出信號，示波器輸出波形如圖4所示。

圖3 單級放大仿真電路

圖4 單級放大電路輸入輸出信號

從圖4中可以明顯看出，輸入波形和輸出波形是反向的，相位差180°，這為后續課程講解單級放大倍數的負值表示輸出信號與輸入信號反向，給出了非常形象的解釋。從圖4中還可看出，輸出信號Vo的峰峰值有500 mV，而輸入信號Vi峰峰值只有20 mV，說明輸出信號確實有放大，也為講解單級放大電路的放大倍數奠定了基礎。

當調節圖3中的可變電阻，使R5=20 kΩ(最大值的10%)時，輸出波形出現了削底失真，如圖5所示。有了這一形象的認識之后，學生對于靜態工作點的設置和飽和失真的關系就很容易理解，并且很快能聯想到仿真過程看到的現象。這種感性和理性相結合的教學方式，不但使學生容易理解，而且使學生記憶深刻。仿真分析較好地解決了模擬電子技術教學中理論內容不易理解和難于記憶的問題。

圖5 單級放大電路削底失真(飽和失真)

當調節可變電阻，使R5=180 kΩ(最大值的90%)時，輸出波形出現了削頂失真，如圖6所示。同樣，學生看到這個仿真結果后，再去理解截止失真與靜態工作點的關系時，就會有一種豁然開朗的感覺。這種先仿真觀察現象、再進行相關內容的理論教學的方法，提高了課堂教學的效率，也增加了學生的學習興趣和探究學習的動力。

圖6 單級放大電路削頂失真(截止失真)

先仿真和分析現象，再講授理論，這種教學方法不但有利于學生學習理論內容，而且有利于教師課堂的教學效果。因為教師在理論教學之前已用實例證明了模擬電子電路中的一些問題和現象，因此，學生更易于接受相關理論知識，也更方便教師對于模擬電子電路理論的講解。

5 仿真分析在“數字電子技術”理論教學中的應用

“數字電子技術”的理論教學要求學生掌握組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析。組合邏輯電路的輸出只與輸入有關；而時序邏輯電路的輸出與電路的上一個狀態有關[12]。本文僅以仿真分析在組合邏輯電路理論教學中的應用為例，說明時序邏輯電路的仿真分析在理論教學中的應用是類似的。

組合邏輯電路主要有編碼器、譯碼器、數據選擇器、數據比較器和加法器等電路。圖7所示為由74LS138組成的數據多路選擇器。

圖7 74LS138組成的數據多路選擇器

組合邏輯電路實現了從8路信號中選出1路信號至輸出端，也就是實現了多路數據的選擇。當圖7中的撥碼開關撥至101時，就選擇第5路數據輸出，輸出結果如圖8所示。

圖8 安捷倫示波器顯示數據多路選擇器結果

在數字電子技術理論課程的講述過程中，如果沒有先進行仿真分析而直接講解數據多路選擇器，就要從74LS138的邏輯真值表講述，而且看不到實際的數據選擇結果，對于學生來說是從理論到理論的學習過程。但是，在講解數據選擇器之前先進行仿真分析，學生就能夠通過示波器真實地看到第5路(D5)輸出了1 kHz、5 V的方波信號(見圖8)。有了仿真分析結果后，再講解相關理論知識和電路的實際應用，也顯得十分明了。學生從圖8的仿真結果可以看到該數據選擇電路可以應用在數字程控通信系統中，即數據選擇器的實際應用。

先進行仿真分析再講解理論的授課模式符合人們的認知和學習規律。人們對新事物的認識總是先感性認識、再理性認識，無論人們對自然規律的認識，還是對社會規律的認識，都是先發現問題的表象，再去研究問題的實質。因此，在“三電”理論教學的過程中，采用仿真分析和理論教學相融合，即仿真分析—理論解釋—實例應用的教學方法，既有利于學生學習和理解理論知識，又符合學習和認知的規律，還解決了目前“三電”理論課程教學中存在的問題。這種教學方法在我校“三電”理論教學中已經取得了較好的效果，有很好的推廣和實際應用價值。

6 結語

Multisim仿真分析和理論教學相結合的教學方法，使學生帶著仿真看到的現象和問題進入理論學習，更容易接受理論知識和提高探究學習的興趣。這種教學方法還會使學生更愿意在實際的儀器和元器件上驗證相關理論，并且實驗的目的性更明確。這種教學方法，不僅對學生學習理論內容十分有利，而且使得學生在后續的實驗課程中更有目的性和針對性。

References)

[1] 李玉東.“三電”基礎課實踐教學體系的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2008，27(6):128-130.

[2] 馬風格，梁夏，李桂香.Multisim在電子線路實驗教學中的應用探索[J].實驗技術與管理，2005，22(12):73-75.

[3] 王翠珍，唐金元，紀明霞，等.基于Multisim10.0的非線性電路分析方法仿真研究[J].國外電子測量技術,2015,34(8):66-69.

[4] 王荔芳，余磊，周曉華.放大電路的Multisim 10仿真分析[J].現代電子技術,2011,34(18):172-174.

[5] 任駿原.74LS161異步置零法構成任意進制計數器的Multisim仿真[J].電子設計工程,2011,19(14):135-137.

[6] 于京生，陳永志，康元元.Multisim仿真軟件在模擬電子技術實驗教學中的應用[J].石家莊學院學報,2011,13(6):46-50.

[7] 李劍清.Multisim在電路實驗教學中的應用[J].浙江工業大學學報,2007,35(5):543-546.

[8] 石嘉順.基于Multisim環境下的電路設計與仿真[J].計算機仿真,2007,24(12):306-308.

[9] 張靜，王瑜.基于Multisim12的RC正弦波振蕩器的仿真及分析[J].綏化學院學報,2017,37(2):151-154.

[10] 蒲永紅,余粟,王維榮.Multisim輔助電工電子實驗教學的探討[J].實驗室研究與探索,2013,32(9):174-177.

[11] 馬麗梅,黃穎,吳元亮,等.Multisim仿真輔助教學在模電課程中的應用與實踐[J].中國電子教育,2015,24(3):41-44.

[12] 鐘斌,曾超.Multisim仿真在數電實驗教學改革中的應用[J].當代教育理論與實踐,2016,31(4):62-65.

Teaching method of integration of simulation analysis with “Three electricity” courses teaching

Zhao Hu, Yang Yi, Ding Liming, Huang Xianlian, Zhang Ling, Shi Wanli

(College of Electrical and Information Engineering， North University for Nationalities, Yinchuan 750021, China)

It is proposed that the teaching method of the Multisim simulation analysis is introduced into the theoretical teaching of “Simulation analysis-theoretical explanation-example application” in the “Three electricity” courses (Circuit Principle, Analog Electronic Technology and Digital Electronic Technology). This teaching method is beneficial to the students’ understanding of the theoretical content, enables them to learn theoretical knowledge with questions, stimulates their interest in learning, and at the same time motivates their desire for knowledge through experiments to verify theoretical content. This teaching method is applied in practice, the good effect is obtained,and the foundation is laid for students to better master the theories of the “Three electricity” courses.

“Three electricity”courses; Multisim simulation analysis; teaching method

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.029

TP15

B

1002-4956(2017)11-0121-05

2017-05-20

2014年寧夏回族自治區高等教育本科教學工程立項建設項目(電工電子教學團隊)

趙虎(1975—)，男，山東章丘，碩士，副教授，主要研究方向為電工電子教學和激光雷達大氣探測.