樊亞東,劉迪燊,崔 雪,胡 釙

(武漢大學電氣工程學院,湖北武漢 430072)

長期以來,電路課程的理論教學與實驗教學通常都被分割成兩個獨立的環(huán)節(jié)。在課堂上,理論講解多,缺乏互動與啟發(fā);而在實驗室里,只能做設(shè)定好步驟的驗證性實驗,不能延伸到綜合性和研究性實驗[1,2]。因此,實現(xiàn)電路課程理論教學與實驗教學的一體化十分必要。本文將對Matlab/Simulink在電路理論教學與實驗教學一體化探索的應(yīng)用進行介紹。

1 電路課程教學存在的不足

1)理論教學與實驗教學分離

由于實驗課一般不與理論課同步進行,而是在理論課結(jié)束后才單獨開設(shè),授課教師缺乏及時對學生理論知識和實驗?zāi)芰Y(jié)合程度的了解。

2)理論課教學方式相對落后

電路課中的基礎(chǔ)理論和例題分析都缺乏可視化的直觀表現(xiàn)。

3)實驗設(shè)備的局限

我院電路實驗室的設(shè)備存在的許多局限性,制約了電路實驗課開設(shè)的內(nèi)容。

4)教學計劃的不合理

電路理論課教學學時不足,使教學質(zhì)量受到影響。而電路實驗課在驗證性實驗上分配的學時過多,導致學時的浪費。

2 Matlab與電路教學

如果我們將Matlab/Simulink可視化平臺與電路教學相結(jié)合,學生還能對電路建模有更直觀的認識,授課教師可以籍此來輔助理論教學和實驗教學。國外新近出版的一些電路教材中,都將其作為一種解題的輔助工具,對于學生學習課程非常有益。

1)運用軟件仿真進行課前預習

電路理論課教學課前預習十分重要。當學生遇到抽象概念難以理解時,可以利用Simulink在建模和仿真結(jié)果可視化方面的優(yōu)勢來輔助預習。

例如,在預習一階電路零狀態(tài)響應(yīng)時,學生對電路瞬態(tài)過程的概念還比較陌生。為此,學生可以建立如圖1所示的簡單RC電路模型進行研究。仿真結(jié)果如圖2所示,零狀態(tài)下輸入波形和輸出波形一目了然。學生只要在圖1的基礎(chǔ)上對元件參數(shù)進行簡單的調(diào)節(jié),便可以觀察輸出波形的變化及規(guī)律。

圖1 RC一階電路的零輸入響應(yīng)仿真模型

圖2 RC一階電路的零輸入響應(yīng)仿真結(jié)果

再如,二階電路暫態(tài)響應(yīng)的分析計算過程較為繁瑣,典型的二階有損耗電路的三種不同阻尼條件下的表現(xiàn)情況容易混淆。學生可以搭建電路模型后,對三種情況下電容電壓的曲線進行仿真。

2)課堂即時仿真實驗

電路理論課中輔以即時的仿真實驗,可讓抽象概念形象化具體化,使復雜的過渡過程直觀地表現(xiàn)出來。

如在講授RC微積分電路時,可以用課堂實驗作為理論課件的補充。采用在Simulink環(huán)境下建立如圖 3所示的電路模型進行仿真實驗。圖中Switch模塊連接的四個電容分別取值為4700pF,0.022μ F,0.1μ F 和0.47μ F 。學生不僅可以觀察到典型的積分電路和微分電路的波形,還可以觀察參數(shù)的變化對電路輸出的影響。

圖3 微積分電路仿真模型

圖4所示的仿真結(jié)果中,Ur為電阻R上的電壓波形,UC為電容電壓波形。圖4(a)和圖4(b)為電容值分別取0.1μ F和0.47μ F的輸出波形。這些直觀的實驗結(jié)果能可以改善學生對RC微積分電路的理解。另外,授課教師還可以根據(jù)學生在課堂上提出的問題,即時改變實驗數(shù)據(jù),甚至搭建新的簡易模型進行仿真。在課堂中引入仿真實驗,能給學生以傳統(tǒng)教學模式所不能比擬的啟發(fā)性。

圖4 微分電路模型仿真結(jié)果

3)Simulink軟實驗

傳統(tǒng)電路實驗課以驗證型的硬件實驗為主,而Matlab/Simulink仿真環(huán)境是開展以提高型、設(shè)計型和綜合型為主的軟實驗的理想平臺。

例如,三相異步電機并網(wǎng)屬于綜合型實驗,涉及的儀器設(shè)備較多,操作要求比較高。但是,實驗精度低,其結(jié)果的再現(xiàn)性不高。如果讓學生在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建該實驗的電路模型進行仿真實驗,就能作為傳統(tǒng)實驗課程的補充。

如圖5所示,仿真實驗簡化了接線操作,儀器設(shè)備的參數(shù)便于調(diào)整,大大降低了實驗的操作門檻。仿真結(jié)果如圖6所示,測得的曲線誤差小,精度高,可準確地反映三相異步電機并網(wǎng)的瞬態(tài)過程。

圖5 三相電動機啟動過渡過程仿真模型

圖6 發(fā)電機啟動過渡過程仿真結(jié)果

軟實驗可以采用開放式的教學,教師根據(jù)硬件實驗的完成情況靈活出題,由學生課后自行完成,實現(xiàn)電路實驗的軟硬結(jié)合,共同促進學生對電路理論課程的理解和掌握。

3 結(jié)語

本文提出在電路教學改革中引入仿真軟件Matlab/Simulink,以實現(xiàn)理論教學與實驗教學一體化的思路,并用實際的例子加以說明。一體化教學有助于改善傳統(tǒng)電路理論教學的薄弱環(huán)節(jié),仿真軟件還可以開展軟實驗彌補實驗室設(shè)備和實驗學時的不足。學生可以在課堂或課余時間進行知識點的擴充,形成富有啟發(fā)性的雙向教學。在此基礎(chǔ)上,進行的綜合性和和研究性仿真,為今后學習專業(yè)課和參與科研打下了基礎(chǔ),有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和研究精神?？梢?基于Matlab/Simulink的虛擬實驗可以彌補傳統(tǒng)硬件實驗的不足,而且符合現(xiàn)代測試技術(shù)和實驗技術(shù)的發(fā)展趨勢。

[1] 傅曉林.電類課理論教學與實驗課一體化初探[J].重慶:重慶交通學院學報(社科版),2002,2(1)

[2] 楊育霞,章玉政王俊等.電路課程教學改革的研究與實踐[J].南京:電氣電子教學報,2003,23(3)

[3] 劉景夏,鄭學瑜,胡冰新.“電路基礎(chǔ)”課程教學改革的再思考[J].南京:電氣電子教學報,2005,27(3)

[4] 徐波,景展.電路課程的教學探討[J].南京:南京工程學院學報,2001,1(2)

[5] 李裕能,夏長征.電路[M].武漢:武漢大學出版社,2004