仿真軟件在電學解題中的應用

物理是一門以實驗為依托的基礎性學科。學生學習物理，在充分經歷科學探究的過程中學習科學研究方法，可以鍛煉實踐能力和創新能力，養成科學態度和精神^[1]。筆者將以第38屆全國中學生物理競賽預賽壓軸題為例，講解如何利用電子設計自動化（Electronic design automation，縮寫EDA）軟件進行虛擬實驗探究解題。物理競賽題目難度大，涵蓋知識范圍廣，一些實驗探究題目的分析解答還需要器材支撐，但一般的高中物理實驗室難以操作綜合型、擴展型的電路實驗，無法滿足需求。教師指導學生利用EDA軟件對動態電路進行仿真實驗，實現電路分析過程的可視化動態顯示，有利于學生探究、驗證、解題，同時可降低實驗成本。

一、電學仿真軟件助力思維可視化的可行性

EDA是在CAD技術基礎上發展起來的計算機設計系統，被譽為“芯片之母”。電路仿真可用于模擬傳統電子設計中的電路搭建和性能測試。設計人員將目標電路的原理圖輸入到由EDA軟件建立的仿真器中，利用軟件提供的仿真工具（包括仿真測試儀器和電子器件仿真模型的參數庫）對電路的實際工作情況進行模擬。NI Multisim是一款優秀的EDA軟件，它是以Windows系統為平臺的仿真工具，操作簡單，功能強大，可用于電學虛擬仿真實驗。

學習本質上是一種思維活動。學生在實驗中有效思考可引發高階思維，促進自身深度學習。物理教學的重點是從提煉物理知識體系層，深入到提升思維能力層。教師在教學中應盡可能利用信息技術構建可視化新型課堂，高效、系統地提高學生思維能力。思維可視化的重要手段之一就是開展虛擬仿真實驗，通過圖表等將思維呈現出來，將抽象的物理量進行可視化呈現。這樣可以有力地促進學生深度思考，培養學生解決問題的能力，提高學生物理學科核心素養。

二、案例問題呈現

全國中學生物理競賽是教育部門認可的高水平賽事，在高中綜合評價和強基計劃中起到重要作用，被師生關注。2021年9月4日，第38屆全國中學生物理競賽預賽正式開賽。此次競賽選擇題第5題和解答題第16題，都可借助EDA技術輔助解答，其中第16題（滿分40分）原題如下（如圖1）。

三、思維可視化仿真實驗輔助解題

第16題涉及模電運算放大器知識，難度較大，學生可根據題目中的提示解題，這需要學生有很強的學習能力和臨場發揮能力。集成運算放大器加上一定形式的外接電路可構成各種功能的電路（包括能對信號進行加、減、乘、微分和積分的運算電路，有源整流和濾波電路，波形產生和變換電路等），在控制和測量系統中的應用也非常廣泛^[2]。

（一）第1問反相比例運算電路解題過程

1.仿真探究驗證

（1）直流電壓源

首先，教師指導學生在Multisim仿真軟件中單擊電源按鈕，在POWER_SOURCES信號源庫中選擇DC_POWER直流電壓源符號，單擊確定按鈕，移動光標到電路設計區，用同樣的方法分別將電阻、運算放大器、數字萬用表等虛擬元器件（儀器）放置到電路工作區，連接電路（如圖2）。然后，學生雙擊相應元器件符號，設置輸入直流電壓值U_in=2.8 V，電阻R₁=10 kΩ，R_f= 33 kΩ;雙擊萬用表儀器符號，設置萬用表操作面板上的功能選擇按鈕為電壓，信號模式為直流。最后，學生單擊仿真啟動開關按鈕，通過電壓表顯示輸出電壓為U_out=-9.24 V。學生改變電阻、電壓等參數，多次仿真，記錄數據（見表1），分析U_out和U_in的比例關系，得出結論：????????????????，R₁和R_f的阻值決定輸出電壓為U_out的放大倍數，U_out和U_in相位相反。

（2）交流電壓源

學生在Multisim仿真軟件中，連接電路（如圖3），設置（輸入信號）交流電壓為2.8 V，頻率為780 Hz，設定R₁=10 kΩ，R_f=33 kΩ，分析雙通道示波器仿真顯示輸入和輸出電壓波形的關系，加深理解。學生雙擊雙通道示波器，設置時基標度為500 us/Div，用于設置示波器的時間基準，即以x軸方向（水平方向）上每個刻度代表時間;根據輸入信號大小設置示波器通道A和B的刻度5 V/Div，即以y軸方向（垂直方向）上每個刻度代表電壓，借助通道A顯示輸入電壓U_in，借助通道B顯示輸出電壓U_out。學生單擊仿真啟動開關按鈕，通過雙通道示波器仿真顯示測量結果，輸出波形圖（如圖4）。學生通過改變電阻、電壓等參數，多次仿真，分析U_out和U_in的比例關系，同樣可得出?????????????????????。

2.理論分析

（二）第2問減法電路解題過程

1.仿真探究驗證

學生在Multisim仿真軟件中，連接電路（如圖5），設置（輸入信號）交流電壓U_in1=10 mV（頻率1 kHz），U_in2= 15 mV（頻率1 kHz），R₁=20 kΩ，R₂=10kΩ，R₃=10 kΩ，R_f=20 kΩ?。測量結果可通過四通道示波器顯示。學生雙擊四通道示波器，設置時基標度為1 ms/Div，設置示波器通道A、B、C的刻度為20 mV/Div之后，通道A顯示輸出電壓U_out，通道B顯示輸入電壓U_in2，通道C顯示輸入電壓U_in1，通過通道控制旋鈕設置通道A、B、C的位移分別是-2、0、2。學生單擊Multisim仿真啟動開關按鈕，借助示波器顯示測量結果。在T₁= 2.751 ms時，U_out= -4.925 mV，U_in2= -14.775 mV，U_in1=- 9.850 mV，滿足U_out=U_in-U_in1。學生改變電壓、電阻等參數，多次仿真分析輸出電壓U_out與輸入信號U_in1和U_in2之間的關系，得出結論：當R_f=R₁，R₂=R₃時，U_out=U_in2-U_in1。

2.理論分析

3.歸納總結

學生通過仿真探究驗證，分析得出結論：圖1c所示為運算放大器組成的減法電路，兩個電壓信號分別加在運算放大器的兩個輸入端，進行減法計算，在輸出端輸出差信號，當R_f=R₁，R₂=R₃時，U_out=U_in2-U_in1。

（三）第3問反相積分電路解題過程

1.仿真探究驗證

學生在Multisim仿真軟件中，連接電路（如圖6），設置信號發生器參數，對積分電路進行仿真，驗證積分電路的功能和性質。函數發生器可以提供三角波、方波和正弦波等不同波形的信號源。學生設置輸出信號頻率為100 Hz，輸出方波的占空比為50%，輸出信號的振幅為5 Vp，單擊Multisim仿真啟動開關按鈕，查看示波器仿真結果可知，輸入、輸出信號滿足反相積分的運算關系，改變時間常數可以影響輸出三角波的斜率和幅值。

2.理論分析

3.歸納總結

學生通過仿真探究驗證，分析得出結論：若將圖1b中的反饋電阻R_f換成電容C，反相比例運算電路變成反相積分電路，可將輸入矩形波U₀變成三角形波U_out輸出，能對信號進行積分運算。

四、總結

仿真實驗在高等院校已經開展多年，效果好，發展快。2021年11月4日，華中科技大學參與競賽，獲得全球EDA冠軍。筆者從2010年開始嘗試在中學物理課程中開展思維可視化仿真教學，在STEM科技創新社團中開展電子設計自動化活動，都達到了預期的教學效果。

實踐證明，運用Multisim仿真軟件，虛擬仿真探究實驗，輔助解題，效果良好。由于不受實驗器材、儀器等限制，學生可大膽嘗試，通過多次仿真來探究和解題。學生經歷實驗探究驗證—理論分析—歸納總結的解題過程，在解題過程中提升了探究能力和物理學科核心素養。需要指出的是，虛擬實驗并不能完全替代實際操作，過多的仿真實驗會減弱學生對真實元器件的認知程度，教師在實驗教學堅持仿真和傳統實驗相結合，取長補短，才能取得較好的效果^[3]。對于一些難以用實物演示的、不易觀察的暫態分析實驗，很多學校不具備真實實驗條件，可以讓學生通過仿真實驗熟悉實驗規范操作步驟，為以后實際操作奠定基礎。

注：本文系江蘇省中小學研究2019年第13期重點資助課題“基于PBL低成本創客教育課程研究”（課題編號：2019JK13-ZA13）的研究成果。

參考文獻

[1] 樂露露，元瑤.運用“NB物理實驗”軟件，提升學科核心素養[J].物理教師，2021（7）：67-70.

[2] 周雪.模擬電子技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2017：117-119.

[3] 馬浩洲.Multisim2001仿真軟件在電子實驗中的應用[J].中小學實驗與裝備，2010（2）：52-53.

（作者系江蘇省漣水縣教師發展中心教研員、高級教師）