理論仿真實驗相融合的電工學教學方式研究

徐州工程學院土木工程學院 宗德媛 朱 炯 李 兵

電工學是學生理解、掌握及應用電學知識，培養學生動手能力和綜合實踐能力的專業基礎課。在電工學教學中，將EWB虛擬仿真技術、傳統實驗技術及理論教學相結合，通過仿真計算、實驗演示，讓學生理解掌握電路的組成、工作原理和性能特點。EWB仿真軟件開展案例教學，可以幫助學生更好地理解和掌握電子技術理論，同時為提高學生實際操作能力打好基礎。

電工學實驗是對理論知識的補充與延續，培養學生的實驗技能、動手及創新能力。理論課具有概念多、計算復雜、綜合性強等特點，以致學生無法理解。實驗課危險性較大，學生在實驗中可能會造成儀器損害、元器件燒壞甚至觸電等情況。EWB軟件中元器件庫和儀器儀表豐富，操作界面模擬真實實驗環境，而且在軟件上進行實驗不會出現任何危險。因此，在電工學教學中可以將理論、仿真計算和實驗相結合，提高學生的實踐能力，激發學生學習電工學的興趣。

用EWB仿真軟件模擬實際電路可以概述為以下幾個步驟，對任意一個電路的仿真設計依照步驟進行，EWB仿真軟件模擬實際電路流程圖如圖1所示。

圖1 EWB仿真軟件模擬實際電路流程圖

在電工學實驗中引入EWB仿真軟件，可立即得到仿真結果和對應的圖表曲線，且仿真、實驗也使學生對專業知識有了更為深入的理解。以下本文將結合電工學“基爾霍夫定律和疊加定理”理論、實驗、仿真內容來探索EWB在該課程中的應用。

1 理論計算

基爾霍夫定律和疊加定理的電路如圖2所示，圖中標出了各元件的電流和電壓的參考正方向。若電流（電壓）的實際方向與規定的正方向相同電流值為正值；若電（電壓）的方向與規定的正方向相反，電流值為負值。其中，E1=10V，E2=15V，R1＝1KΩ，R2＝510Ω，R3＝300Ω，R4＝200Ω，R5＝300Ω。

圖2 基爾霍夫定律與疊加定理電路圖

根據基爾霍夫電流定律，在任一節點處的電流值滿足ΣI=0，根據基爾霍夫電壓定律，任一閉合回路中的電壓值滿足ΣU=0。根據疊加定理，線性電路，任何一條支路的電流，都可以看成是由電路中各個電源分別作用時，在此支路中所產生的電流的代數和，理論計算數據滿足疊加定理。

表1 理論計算電流值

表2 理論計算電壓值

2 EWB仿真計算

根據EWB仿真軟件電子元器件庫，建立基爾霍夫定律和疊加定理的仿真模型。仿真運行后，讓學生在測量儀表上觀察仿真結果，并記錄分析測量結果是否正確。若不正確，分析原因，調整仿真電路，對照電路設計要求更改相關元件參數，返回仿真繼續進行，直到得到正確結果。仿真模型如圖3～圖5所示。

圖3 E1和E2共同作用仿真電路圖

圖5 E2單獨作用仿真電路圖

記錄仿真分析計算結果如表3所示。

表3 仿真計算電流值

仿真E1、E2共同作用時各電壓值，記入表4。

表4 仿真計算電壓值

圖4 E1單獨作用仿真電路圖

3 實驗驗證

實驗教學部分是電工學課程的重要環節，通過實驗不僅能強化學生對理論知識的鞏固和理解，而且也提高了綜合實踐能力。

實驗電路如圖6～圖7所示，雙向開關K1、K2控制電源E1、E2的接入或短路。在實驗板上有電流測試斷口，可將安培表串接進支路測試電流。實驗測量電流值如表5所示。

表5 實驗測量電流值

圖6 基爾霍夫定律與疊加定理實驗電路

圖7 基爾霍夫定律與疊加定理實驗模塊

測量E1、E2共同作用時各電壓值，記入表6。

表6 實驗測量電壓值

根據實驗數據得出結論，實驗測試數據驗證了基爾霍夫電流定律和疊加定理的正確性。

4 理論、實驗、仿真對比分析

最后讓將實驗、仿真結果與理論計算對照、比較，計算誤差、分析原因，并撰寫總結報告。以疊加定理各電流值對比分析理論、實驗和仿真計算的結果表7所示。

由表7可知，理論計算結果和仿真結果基本一致，個別數據誤差為0.01mA，實驗數據與理論數據、仿真數據最大誤差為0.22mA。實驗誤差在允許范圍內，分析誤差原因：實驗電壓表、電流表內阻產生的誤差；實驗中所使用的元器件的標稱值和實際值的誤差；儀器本身的誤差。

表7 理論、實驗、仿真計算電流值

在電工學教學中，充分利用EWB仿真軟件，將虛擬仿真技術與理論教學、傳統實驗技術有效結合，把實驗、仿真教學貫穿在理論教學中。EWB軟件圖形界面可直觀的模仿真實的實驗操作環境，使原本枯澀難懂的知識點變得生動形象起來。對于較難理解的電路理論，采用先講理論知識，再實驗驗證，最后仿真計算的方式來鞏固、加深所學知識，從而取得較為良好的教學效果。