虛擬仿真技術在《模擬電路》思政教學中的應用

張霞

摘要：模擬電路是電類專業的一門基礎課，具有很強的工程性和實踐性，該文結合虛擬仿真技術將思政元素融入模擬電路的教學過程中，實現全程育人和全方位育人。以模電中單管共射極放大電路的圖解法為例，詳細介紹了將 Multisim仿真軟件引入思政教學的過程，能將抽象的理論形象以數據波形等直觀的結果形式顯示出來，極大地加深了學生對知識的掌握程度。教學實踐證明，將Multisim引入模擬電路思政教學中，彌補了傳統教學的不足，操作性強，結果清楚直觀。

關鍵詞：全程育人;模擬電路;Multisim;思政元素

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）34-0206-03

1引言

高等教育中工科課程的實踐性很強，在理論教學中教師很難通過課堂教學使學生將復雜的理論知識透徹地掌握，近年來我國學者對工科課堂教學進行了很多嘗試，目的使學生更容易理解并掌握基礎理論知識。李東源，余群提出借助虛擬技術可輔助學生進行理論和實驗學習，采用HTML軟件以《電路》中的波形轉換和整形電路為例詳細地介紹了虛擬軟件進行輔助實驗教學的過程[1]。張輝，何春燕，王瑋采用項目驅動法詳細地從軟件的學習、器件的選型、電路的設計、結果的調試及分析，介紹了Multisim在節日彩燈控制器設計的應用過程[2]。張濤等，以模擬電路中積分電路為例介紹了采用Multisim、 Analog Discovery 2和 Waveforms仿真軟件在模擬電路實驗中的應用，并對仿真結果和實際結果進行對比，得出虛擬仿真實驗的不足，擺脫了空間、時間限制，可以極大地方便師生的教學和學習[3]。這些探索都是從實驗教學為出發，在節省資源達到仿真和實際電路的差距上進行說明，而在實際理論原理的論證上沒有探索新的方法，使抽象的理論便于理解，本文旨在采用虛擬仿真軟件Multisim，并將之應用到實際理論教學中，極大地方便老師對原理的論證和推導，方便學生將理論知識和實際工程相結合，滿足現代化教學體系的要求。

2 構建模擬電路思政課堂存在的問題

模擬電路課程在實際應用中非常廣泛，是航空航天、民用產品等設備的控制器的基本組成部分，讓學生在理解知識點的同時和實際應用相結合，達到學以致用是模擬電路課程的存在的主要問題，且模擬電路知識點多，理論分析抽象且難理解，學習起來比較枯燥。以單管共射極放大電路的圖解法為例，要求學生掌握靜態工作點的圖解分析、動態工作情況的圖解分析和靜態工作點對波形失真的影響3個知識點。主要通過講授畫出直流通路，根據輸入回路和輸出回路列出回路電壓方程，然后在輸入輸出特性曲線上做出輸入直流負載線和輸出負載線，負載線和輸入輸出特性曲線的交點稱為靜態工作點。在動態分析時根據輸入的交流信號波形的最大值和最小值在輸入特性曲線上到靜態工作點Q的變化范圍，進而得到iB和iC的波形，進而在輸出特性曲線上近似地得到uCE的波形。對靜態工作點偏高或者偏低引起的截止失真和飽和失真理解起來更加困難。在整個分析時波形的變化只能通過老師的一步步地帶動推進得出波形的形狀，學生沒有感官的認識，只是被動地接受，與老師被動地互動，教學效果差。沒有學生主動參與的課堂，很難使學生的大腦中建立三維的感觀，實現理論聯系實際的目的。

3 虛擬仿真技術在模擬電路思政課堂中的應用

3.1 Multisim軟件介紹

Multisim14.0是美國國家儀器（National Instruments）公司推出的一款相當優秀的專業化SPICE仿真標準環境，Multisim14.0功能強大，可以最大化地滿足用戶的設計需求、可視化仿真界面、元件庫豐富、參數可調、具有3D效果的仿真電路、虛擬儀表齊全功能強大、分析功能與圖形顯示窗口等等。操作簡便，是電路教學解決方案的重要基礎，是目前在電路分析中應用較廣的仿真軟件[4-8]。

3.2 虛擬仿真技術的應用

下面就以單管共射極放大電路的圖解法為例，說明使用Multisim14.0仿真軟件講解放大電路圖解分析法的靜態工作點的圖解分析、動態工作情況的圖解分析和靜態工作點對波形失真的影響3個知識點的具體分析過程。

3.2.1實驗電路圖

單管共射放大電路各級波形相位的關系抽象難理解，為了更好地說明虛擬仿真軟件在課堂理論教學中的應用，本文采用單管共射放大電路中基極電阻 R1 的變化對基極電流、集電極電流和輸出電壓波形的影響，三級選用 2N1711 型進行放大電路的實驗。對于 R1分別采用 500KΩ 和250KΩ和7000KΩ的電阻進行測試分析，利用 XSC2 四通道示波器分別測量輸入波形、iB波形vBE波形、iC波形，XSC1雙通道示波器顯示輸入V1波形輸出vCE波形。

在仿真電路時由于示波器只能顯示電壓的波形，為了分析從輸入信號到輸出信號各個電壓和電流相位之間的關系，在顯示iB和iC波形時采用在電路中接入了電流互感器V2和V3。實驗電路如圖1所示。

3.2.2實驗結果分析

放大電路中的電壓電流波形如圖2所示，示波器XSC2的A通道顯示輸入電壓V1波形（紫色），B通道顯示iB波形（藍色），C通道顯示vBE波形（綠色），D通道iC波形（紅色），示波器XSC1顯示輸入V1波形（紫色）和輸出vCE波形（紅色）。從圖2（a）可以看出V1、iB、vBE、iC波形相位相同，圖2（b）可以看出V1、vCE波形相位相反。

當R1=250KΩ時示波器XSC2顯示的波形如圖3（a）所示，此時出現了飽和失真。A通道顯示輸入電壓V1波形（紫色），B通道顯示iB波形（藍色），C通道顯iC波形（黃色）出現了明顯的頂部失真，D通道vCE波形（紅色）出現了底部失真。當R1=7000KΩ時示波器XSC2顯示的波形如圖3（b）所示，B通道顯示iB波形（藍色）的底部出現了失真，C通道顯iC波形（黃色）出現了底部失真，D通道vCE波形（紅色）出現了頂部失真。圖（b）的截止失真波形和教材上理論出現的圖形有明顯的差別。

4 結束語

本文介紹了構建模擬電路思政課堂教學過程中存在的問題，提出在課堂教學中加入虛擬仿真教學，將課堂上理論和實際聯系緊密的理論知識點，用仿真圖像的形式呈現給學生，使枯燥的理論知識變得生動、形象，方便理解。軟件操作簡單、使用方便，這種采用“仿真”和“調試”的方法能夠有效激發學生的學習興趣、改善課程教學條件，拓寬教學模式和方法，突破教學內容的局限，提高學生對模擬電路知識的理解程度，最大限度地開發學生的潛力，幫助學生提高分析電路的能力，達到學以致用的目的，為學生今后的學習打下良好的基礎。

參考文獻：

[1] 李東源，余群.波形轉換與整形電路虛擬仿真系統的設計[J].教育現代化，2019，6（85）：217-219.

[2] 張輝，何春燕，王瑋.Multisim在模擬電路和數字電路課程中的應用[J].電子制作，2021（4）：17-19.

[3] 張濤，黃大剛，包秀娟，等.Analog Discovery 2在模擬電子技術實驗案例中的應用[J].實驗技術與管理，2020，37（7）：176-179.

[4] 張連浩，魏偉.虛擬仿真技術在模擬電子技術課程中的應用[J].信息與電腦（理論版），2019，31（17）：233-234，237.

[5] 徐秀妮，趙麗.虛擬仿真技術在數字電路課程教學中的應用[J].隴東學院學報，2018，29（5）：26-29.

[6] 王佳慶，王曉剛，張杰，等.基于教研結合的控制類課程群的教學改革與實踐[J].中國電力教育，2018（11）：76-77.

[7] 湯曉燕，云忠.面向工程教育專業認證的課程教學改革——以工程圖學課程為例[J].大學教育，2019，8（5）：69-71，78.

[8] 胡元闖.工程教育專業認證背景下地方本科院校網絡工程專業人才培養模式探索[J].計算機教育，2019（4）：24-27.

【通聯編輯：王力】