黎 霞，毛一之，李 華

（河北工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，天津300130）

0 引言

電工學(xué)課程作為非電專業(yè)的重要基礎(chǔ)課之一，教學(xué)的內(nèi)容涉及電路原理及分析、磁路分析、電機工作原理、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)等多個部分，具有內(nèi)容多、概念多、公式多、圖形多和實踐性強的特點。而教學(xué)的對象又分布在機械、熱能、化工、物理、土木等多個非電專業(yè)，教與學(xué)難度較大。因此，如何根據(jù)課程的特點將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果應(yīng)用于“電工學(xué)”的課堂教學(xué)，改進、完善、發(fā)展和創(chuàng)新教學(xué)方法，為教師、學(xué)生建立發(fā)揮創(chuàng)造潛力的教與學(xué)的環(huán)境，不斷提高教學(xué)質(zhì)量和效率，是廣大教師一直探索的問題。目前，很多計算機輔助軟件如PSpics、Multisim、Matlab等都相繼被引入電工課程的教學(xué)當中［1－3］。

1 Matlab引入教學(xué)的優(yōu)勢

“電工學(xué)”課程要求理論和實踐有機結(jié)合。從理論學(xué)習(xí)角度來說，電工學(xué)中很多知識點的熟悉、掌握要靠機械性地記憶和理解記憶相結(jié)合，學(xué)習(xí)的過程比較枯燥，容易使學(xué)生感到倦怠而缺乏持久的學(xué)習(xí)興趣。但技能的掌握又離不開看似枯燥的反復(fù)記憶和訓(xùn)練。因此引入某些實踐環(huán)節(jié)可以豐富教學(xué)內(nèi)容，緩解理論學(xué)習(xí)的枯燥感。而隨著信息技術(shù)的發(fā)展、計算機應(yīng)用的普及，用計算機來進行“模擬實驗”正在成為一種趨勢。通過Matlab軟件在課堂上輔助講解電路、電子方面的知識，不僅能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好的理解電路工作原理，讓學(xué)生學(xué)會計算機軟件輔助理論學(xué)習(xí)的方式和方法，對工程素質(zhì)的培養(yǎng)起到很好的作用。

從實踐角度來說，由于實驗器材、場地、人員和課時等成本的限制，對大多數(shù)學(xué)生通過有限的實驗來進行理論的輔助學(xué)習(xí)，效果也是相當有限的。所以電工學(xué)實踐不應(yīng)當是簡單的“理論＋實驗”，而應(yīng)該有更豐富的內(nèi)容。采用計算機軟件輔助教學(xué)就是另一種橋梁和紐帶。具有強大功能的Matlab軟件可以提供各種科學(xué)研究和工程技術(shù)應(yīng)用的計算和仿真，它可以對電路進行快速分析、計算而受元件數(shù)量和電路的復(fù)雜程度的影響相對很??；通過它的仿真平臺建立電路模型，如同在紙上畫電路、實驗室中搭電路一樣方便，并且不受成本的限制和器件應(yīng)用次數(shù)的限制，同時還能在“示波器”等工具上直觀看到結(jié)果。因此，Matlab可以成為電工學(xué)課堂與實驗教學(xué)的一個有效的輔助工具。

2 教學(xué)實例

下面通過幾個教學(xué)實踐中的具體實例來介紹引入Matlab輔助教學(xué)的應(yīng)用［4］。

1）在電路暫態(tài)分析中的應(yīng)用

在一階RC電路全響應(yīng)中經(jīng)過基爾霍夫電壓定律和元件的電壓電流關(guān)系，可列寫出電路的微分方程如下，

而求解的數(shù)學(xué)過程則可以通過Matlab來實現(xiàn)，運行指令：uc＝dsolve（＇Duc＝－500＊uc＋5000／3＇，＇uc（0）＝2＇，＇t＇）

ezplot（uc，［0，20e－3］）

按回車鍵立刻可以得到方程的解和uC的變化曲線（見圖1）

圖1 uc 的變化曲線

整個計算過程十分快捷方便，就可以將更多的課時放在uC特性的分析上。

2）在三相電路相量分析中的應(yīng)用

在三相電路的分析中，采用了相量法來簡化計算過程。而相量與阻抗的應(yīng)用就必須引入復(fù)數(shù)運算，這對于大多數(shù)學(xué)生來說是個數(shù)學(xué)難題。同時三相電路對稱、不對稱負載以及它們的星型、角型連接方式也容易使學(xué)生造成混淆。在此也可以借助于Matlab來簡化計算過程。

例如，對于圖2所示的三相角結(jié)不對稱電路，可以設(shè)三條端線上的電流為IA，IB，IC，三相負載上的電流為Iab，Ibc，Ica，則可以列出基爾霍夫電壓電流方程

圖2 三相電路圖

求解電路電流的程序如下：

就可以得到結(jié)果：

相量圖如圖3所示。如果分析的是對稱負載，只需要在程序中將負載參數(shù)略加調(diào)整。在此也可以進一步啟發(fā)學(xué)生如果是換成星型連接方式如何來進行計算和分析。這樣的互動與啟發(fā)學(xué)習(xí)可以明顯的活躍課堂氛圍，提高教學(xué)效果。

圖3 三相不對稱負載相量圖

3）在整流電路分析中的應(yīng)用

Matlab還提供了靈活的仿真功能，可以建立一個“模擬實驗室”。其中各種器件及其接線和測量都類似于實際的實驗過程。在仿真平臺上搭建橋式整流電路，見圖4。由圖可知仿真模型的元件及結(jié)構(gòu)與授課的理論電路模型基本一致，這就為學(xué)生設(shè)計與掌握仿真電路提供了很大的便利。不僅構(gòu)建電路簡單，數(shù)據(jù)測量與觀測也很方便?！笆静ㄆ鳌庇^測到的全波整流的效果圖如圖5所示。

圖4 整流電路模型

圖5 負載和電源上的電壓波形

教師和學(xué)生一起來進行參數(shù)與結(jié)構(gòu)的調(diào)整，將整流與濾波電路逐一實現(xiàn)，分析產(chǎn)生不同“實驗結(jié)果”的原因，把實驗室的教學(xué)直接搬到理論課堂上，學(xué)生就可以作為學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者，把理論知識運用起來。從而更加理解元件的工作特點、電路的組成和原理，實現(xiàn)理論與實踐的完美結(jié)合?？梢钥闯?，Matlab的引入成為了課堂上啟發(fā)式、探究式、討論式等教學(xué)方法實施的有效輔助工具，對豐富教師的授課手段、培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)都有很大的幫助。

4）在計數(shù)器電路分析中的應(yīng)用

不僅是模擬電路，Matlab也可以建立數(shù)字電路模型。計數(shù)器電路采用了Matlab里面的JK觸發(fā)器模型和時鐘模型，連接各觸發(fā)器的接線，就可以得到如圖6所示的五進制計數(shù)器。其工作波形如圖7所示。

圖6 異步五進制計數(shù)器模型

圖7 五進制計數(shù)器時序波形

3 結(jié)論

將Matlab引入電工學(xué)教學(xué)實踐中，通過計算機軟件的輔助，使教學(xué)方式更加靈活，增強了教學(xué)內(nèi)容的直觀性和生動性，為課堂上實現(xiàn)探究式教學(xué)方法提供了有力支持。不僅有助于學(xué)生深刻地理解基本概念、原理，更為學(xué)生提供了動手操作的機會，激發(fā)學(xué)生解決問題的興趣，提高教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生的工程科學(xué)素養(yǎng)。但同時也應(yīng)注意避免幾個問題：

（1）主次不分。Matlab只是輔助教學(xué)的工具，電工學(xué)各種理論才是教學(xué)過程的核心。要在活躍課堂氣氛的同時將學(xué)生的注意力集中在理論學(xué)習(xí)上。

（2）選材不當。Matlab仿真和計算模型的選取要注意科學(xué)性和代表性，內(nèi)容恰當，難度適當，才有利于推動教學(xué)進程。這就需要教師在課下進行總結(jié)思考，在教學(xué)中不斷積累素材。

［1］ 胡新艷等.Matlab在《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)中的應(yīng)用.科技信息，2009.27

［2］ 王彬彬.Matlab軟件在電氣工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用.中國電力教育，2009.6

［3］ 鄧紅雷等.“電工學(xué)”教學(xué)方法的研究與實踐.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009.8

［4］ 鐘麟，王峰.Matlab仿真技術(shù)與應(yīng)用教程.國防工業(yè)出版社，2004.1