利用仿真軟件輕松突破“電工電子技術”課程重難點

黨智乾， 喬琳君， 曹海紅， 楊春

(西安航空職業(yè)技術學院 自動化工程學院， 陜西 西安 710089)

0 引言

電工電子技術課程作為職業(yè)院校工科類專業(yè)中一門重要公共課程[4]，面向的是全校理工科的學生，相對來說，涉及專業(yè)較多，覆蓋面廣。主要包括非電類[5]機械制造、數控、材料控制、能源、汽車及計算機科學與技術專業(yè)等，電類的包括通信工程專業(yè)、電子信息與工程、自動化、電子科學與技術等。工科類職業(yè)院校的85%(以西安航空職業(yè)技術學院、陜西工業(yè)職業(yè)技術學院、陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院為例)以上的專業(yè)均不同程度開設電工電子技術類課程或實訓，電工電子類課程作為專業(yè)課的前續(xù)課程，對學生專業(yè)實踐能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)有著非常重要的意義。課程中的部分概念較為抽象、理論分析過程數學推到復雜、理論概念難以理解，文章針對以上問題就“電工電子技術”課程如何改革進行了探討和研究。

1 復雜問題簡單化

電路結構圖，如圖1所示。

電路的已知電壓源大小為12 V，電阻大小依次為圖中所

圖1 電路結構圖

示，分析圖中五條支路支路電流和A結點B結點的電位VA、VB的大小。

理論分析過程：先列A、B兩點的基爾霍夫電流方程,如式(1)、式(2)。

結點A：

I1-I3-I4=0

(1)

結點B：

I2+I3-I5=0

(2)

將上述方程代入式(1)和式(2)，并代入題目中已知數據，最終可得：I1=4.18 mA，I2=-3.09 mA，I3=3.276 mA。

通過理論分析和仿真分析兩種學習方法的比較，理論分析要求分析7個量，需要列7個方程，代入題目中已知的7個數值，經過復雜的繁瑣運算可得結果。軟件仿真分析中，按照題目要求找到相應直流電源和電阻，添加5個直流電流表和兩個直流電壓表，點擊仿真按鈕，如圖2所示。

圖2 電路仿真結果示意圖

直接顯示5個支路電流和兩個節(jié)點電壓。通過軟件的一步仿真，復雜的理論分析變得簡單明了，同時軟件分析也可以對理論分析的結果進行驗證。

2 理論學習深入化

被稱為“電路求解大師”的德國偉大的科學家古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫于1845年提出了穩(wěn)恒電路網絡中電流、電壓、電阻關系的兩條電路定律，即基爾霍夫定律，基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律，基爾霍夫電流定律內容為：對于電路中的任何一個節(jié)點，通過這個節(jié)點的電流代數和始終為零。基爾霍夫電壓定律內容為：對于電路中的任何一個閉合回路，這個回路內所有元件上的電壓的代數和始終為零。在我們使用基爾霍夫定律分析電路前，首先要規(guī)定支路電流參考方向和回路繞行方向。同學們經常在為什么要規(guī)定參考方向和為什么要假設繞行方向這兒出現困惑，除了利用大量的電路分析會有全新的深刻認識外，如果利用軟件進行仿真[6]，則可以通過安培表和伏特表的不同極性的端子接法來解釋這個問題，既直觀又形象，理論上的抽象變?yōu)橐曈X上的形象，理論知識學習得以深化。

需要分析各支路電流時，事先不知道電路中支路的電流方向，要利用基爾霍夫電流定律，必須假設支路電流的參考方向,如圖3所示。

圖3 電路結構圖

在用軟件仿真時，測電流直接接入安培表，軟件中安培表分了4種類型，選擇哪種安培表，可以根據所求支路的電流參考方向選擇安培表，如圖3中支路電流I1,它的參考方向是從下至上，那我們們就要選擇類型安培表，否則仿真顯示結果與理論分析結果相反,如圖4所示。

如果在仿真的過程中可以提前不給學生講解這些，在仿真結束后，同學們就會根據仿真結果與理論不一致提出問題，可以讓他們進行主動思考來解決問題，透過現象看本質，變被動為主動，這樣可以加深參考方向概念的學習，也可以加深電流是矢量的概念的學習。

圖4 電路支路電流仿真結果

3 抽象問題形象化

放大是對模擬信號最基本的處理，單管共射放大電路(NPN型三極管)的仿真電路圖,如圖5所示。

圖5 單管共射放大電路(NPN型三極管)

進行直流工作點分析，采用菜單命令Simulate/Analysis/DC Operating Point，在對話框中設置分析節(jié)點及電壓或電流變量,同時可以分析出直流工作點工作狀況。

當靜態(tài)工作點合適，并且加入合適幅值的正弦信號時，可以得到基本無失真的輸出，如圖6所示。

但是，持續(xù)增大輸入信號，由于超出了晶體管工作的線性工作區(qū)，將導致輸出波形失真，如圖7(a)所示。

圖7(b)是進行傅里葉頻譜分析的結果，可見輸出波形含有高次諧波分量。

靜態(tài)工作點過低或者過高也會導致輸出波形失真，如圖8所示。

由于基極電阻Rb過小，導致基極電流過大，靜態(tài)工作點靠近飽和區(qū)，集電極電流也因此變大，輸出電壓Vo=Vcc-icRc，大的集電極電流導致整個電路的輸出電壓變小，因此從輸出波形上看，輸出波形的下半周趨于被削平了，屬于飽和失真。

圖6 單管共射放大電路輸入輸出波形

(a) 輸出波形失真

(b) 傅里葉頻譜分析結果

4 效果分析

借助軟件對“電工電子技術”中的重難點進行了系統(tǒng)化的學習安排，將改革后的項目應用于2018級的機電一體化專業(yè)、工業(yè)機器人專業(yè)、生產過程自動化技術專業(yè)。通過改革的實踐，使得“電工電子技術”課程中重點不變，難點的學習變得輕松高效，理論的掌握更加牢固。同時，學習過程中學生對待知識的好奇心大大增強，學生能夠感覺到自己在發(fā)現問題后可以解決問題，良好的成就感非常給力。學習主觀

圖8 減小Rb后的失真輸出波形

能動性、實驗過程的創(chuàng)新意識及對自我實驗技能的要求都得到了明顯的改善，學生之間也充分發(fā)揮了個人優(yōu)勢及團隊組織協調能力。通過改革，學生在理論考試成績分布狀況和電工技能證通過率方面都有所提高，參與全國職業(yè)技能大賽的成績等級和獲獎數量也得到提升，為培養(yǎng)高技術技能型人才提供了保證。

5 總結

傳統(tǒng)高職院校非電類專業(yè)電工電子技術課程內容基礎性強、理論復雜、概念抽象，為了突破電工電子技術課程的重難點，加強學生工程應用能力的培養(yǎng)，以軟件作為工具，重新規(guī)劃課程重難點的學習過程，通過使用虛擬儀器達到理論分析簡單化，通過軟件仿真和理論分析相互對比，使得理論學習深刻化，通過波形分析使得抽象問題形象化。利用仿真軟件突破重課程學習的重、難點，培養(yǎng)學生運用技術手段解決工程問題的能力，提高了電工電子技術課程的學習效果，為學生進行之后的專業(yè)課程奠定了堅實的基礎。