Simulink仿真軟件在電工技術教學中的應用

任亞明

【摘 要】文章將CDIO的工程教育理念融入電工技術課程的教學過程中，結合SIMULINK仿真軟件直觀、具體和容易接受的特點，通過對疊加原理的實驗驗證，從實踐的角度支持學生獲得直觀的學習經驗，從而使課程的教學過程變得具體而生動，提高學生的學習效果。

【關鍵詞】疊加原理;SIMULINK;教學方法

【中圖分類號】G642.4 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）06-0105-02

0 引言

CDIO工程教育模式是由麻省理工學院、瑞典皇家工學院、瑞典查爾莫斯工業大學和瑞典林雪平大學4所大學經過4年的研究提出的工程教育理念。CDIO工程教育理念，受德國“雙元制”的影響比較大。所謂“雙元”，是指學生既要接受學校的培養，同時也要在企業或公共事業單位等校外實訓場所接受專業技術的培訓。CDIO工程教育模式借鑒德國“雙元制”經驗的同時，更加注重學生的自主學習能力和綜合能力的培養，所提出的CDIO工程教育理念包括構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運行（Operate）4個步驟[1]。

CDIO并不僅僅停留在概念上，它提出了切實可行的培養大綱和12條檢測標準。培養大綱包括專業知識、職業道德、團隊協同和CDIO實現4個方面，通過3級、70條、400多款以精細和具體的方式將CDIO的理念和要求完整地描述出來。12條標準為教師如何執行、如何檢驗和如何評估教學過程提供了具體的指導。因此，CDIO對工程類專業課程的教學實踐具有很高的實際應用價值[2]。

電工技術是機械類專業基礎課程，與生產過程緊密聯系，具有極強的工程應用性。傳統的教學模式中存在如下問題：一是教學內容多。電工技術所包含的內容比較廣泛，涵蓋了模擬電子技術、數字電子技術和電路等課程并站在工程的角度將幾門課程融合在一起。二是講授內容較為抽象，電工技術課程講授中，涉及較多的定理，這些定理理論性強，不易理解，給學生的學習造成了困難。

本文從CDIO的標準6——工程實踐場所：“實踐場所和其他學習環境怎樣支持學生動手和直接經驗的學習？”為切入點，在電工技術課程的講授過程中，支持學生的動手能力，通過專業的Simulink仿真軟件，驗證所學到的知識，使得學生在實驗過程中所得到的實際的經驗與教師講解內容相結合，是一種對CDIO教學理念標準6的一次有益嘗試。

本文所采用的仿真軟件為MathWorks公司開發的MATLAB仿真軟件。基于MATLAB仿真軟件的常用的編程方法有兩種：基于M文件的方法和基于SIMULINK的方法?；贛文件的方法需要學生具有較強的編程能力，仿真通過代碼的形式實現，較為抽象。基于SIMULINK的仿真方法，可以直接利用軟件提供的可視化模塊，通過連線搭建模型，直觀而具體，易于學習，容易激發學生的學習興趣。本文采用基于SIMULINK的方法，讓學生通過自己的仿真操作得到實際的經驗，從而有效地開展教學工作。

1 具體實現過程

電工技術課程中有著較多的教學環節，本文選取電路疊加原理為例，說明具體的教學方法。

1.1 疊加原理的理論介紹

疊加定理描述為：“在線性電路中，任一支路電流（或電壓）都是電路中各個獨立電源單獨作用時，在該支路產生的電流（或電壓）的代數和[3-4]?！?/p>

根據疊加原理的描述我們可以知道，在疊加原理的使用過程中我們必須遵守以下幾個原則。

?（1）疊加原理使用的范圍：疊加原理僅僅適用于線性電路的求解，所求解的問題局限于電壓和電流這兩個物理量;疊加原理不適用于非線性電路中，例如功率的求解就不能應用疊加原理，因為根據功率的計算公式可知，功率是電源的二次函數，不滿足線性的要求。我們在求解問題之前一定要注意原理的適用范圍，不然所得的結果容易出現錯誤。

?（2）應用時，電路的結構參數及參考方向必須前后一致。對于原理中“獨立電源單獨作用”我們可以這樣理解：一個電源作用，其余電源不作用。具體來說就是：對于獨立電壓源，將其短路，對于獨立電流源，將其斷路。

?（3）對于含受控源的線性電路亦可使用疊加原理。

?（4）線性元件：在電子電路中，線性元件是一種電子元件，與電流和電壓有線性的關系。例如：電阻元件其電流跟電壓成正比，伏安特性曲線是通過坐標原點的直線，因此我們可以說電阻是線性元件。

（5）非線性元件：輸入量和輸出量沒有線性關系的電學元件。典型的非線性元件是二極管、三極管。

根據以上的描述，我們了解了電路疊加的原理、使用的前提條件和范圍。

1.2 基于SIMULINK仿真軟件的可視化驗證

上文介紹了電路疊加原理，下面我們將通過SIMULINK建立模型驗證電路疊加原理（如圖1所示）。隨后我們將對該模型應用疊加原理進行相應的分析與說明。

圖1為為了驗證電路疊加原理而建立的SIMULINK仿真模型。在圖1中，我們設置了2個直流電壓源，分別命名為DC Voltage Source 1和DC Voltage Source 1，其電壓分別設置為10 V和8 V。R1、R2和R3均表示電阻，其電阻值分別設為2 Ω，12 Ω和4 Ω。在圖1中，我們將加在電阻R2兩側的電壓值和流過電阻R2的電流值作為研究對象，因此在圖1中添加電流測量模塊和電壓測量模塊，并利用顯示塊，直觀地將其電壓值和電流值顯現出來。根據圖1可以看出，加在電阻R2兩側的電壓值為8.4 V，流過電阻R2的電流值為0.7 A。

為了驗證電路疊加定理，我們先設置電壓源1正常工作，電壓源2短路（如圖2所示）。運行該仿真模型可以得到以下數據，加在電阻R2兩側的電壓值為6 V，流過電阻R2的電流值為0.5 A。然后我們設置電壓源1短路，電壓源2正常工作（如圖3所示）。運行該仿真模型可以得到以下數據，加在電阻R2兩側的電壓值為2.4 V，流過電阻R2的電流值為0.2 A。

綜合圖1、圖2和圖3中得到的信息，我們可以得到如下等式：

6+2.4=8.4（1）

0.5+0.2=0.7（2）

公式（1）表示，在線性電路中，任一支路電壓都是電路中各個獨立電源單獨作用時，在該支路產生的電流（或電壓）的代數和，即電壓源1獨立工作時和電壓源2獨立工作時加在電阻R2兩側的電壓值6 V和2.4 V線性代數和為8.4 V，與該電阻實際兩側電壓值8.4 V相一致。

公式（2）表示，在線性電路中，任一支路電流都是電路中各個獨立電源單獨作用時，在該支路產生的電流（或電壓）的代數和，即電壓源1獨立工作時和電壓源2獨立工作時流過電阻R2的電流值0.5 A和0.2 A線性代數和為0.7 A，與該電阻實際流過電流0.7 A相一致。

至此，我們利用SIMULINK仿真元件驗證了給定的仿真模型遵守疊加原理，該驗證過程利用圖形化的SIMULINK仿真軟件，其含義清晰，過程明了，學生可以得到最直觀的經驗。

2 總結

本文以CDIO的教育理念為指導，從CDIO的標準6——工程實踐場所的角度開展教學過程的討論，展示了基于SIMULINK仿真軟件的教學方法在理論教學中的應用。SIMULINK仿真軟件的直觀性容易為學生所接受，能為學生提供直接的經驗，配合教師在課程的講解，提高了學生學習的效率。

參 考 文 獻

[1]吳曉，唐艷秋.基于CDIO理念的應用統計學專業教學改革實踐[J].科教導刊（下旬），2018（11）：53-54.

[2]劉代飛，付強，陳前軍.智慧能源背景下控制系統仿真課程的CDIO模式教改實踐[J].科教導刊（下旬），2017

（3）：81-82.

[3]趙冬梅，周國軍，郭姣.“電路分析基礎”中疊加原理的教學思路分析[J].中國電力教育，2014（14）：90-91.

[4]方潔，楊國麗，歐陽艷蓉.針對疊加原理的教學研究[J].科技風，2017（18）：43.

[責任編輯：陳澤琦]