趙 虎， 楊 藝， 丁黎明， 黃現(xiàn)蓮， 張 伶， 石萬里

(北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院， 寧夏 銀川 750021)

仿真分析與“三電”課程教學(xué)融合的教學(xué)方法

趙 虎， 楊 藝， 丁黎明， 黃現(xiàn)蓮， 張 伶， 石萬里

(北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院， 寧夏 銀川 750021)

提出了將Multisim仿真分析引入“三電”理論教學(xué)中的“仿真分析—理論解釋—實例應(yīng)用”的教學(xué)方法。該教學(xué)方法有利于學(xué)生對理論內(nèi)容的理解和認(rèn)識，使學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)理論知識，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，同時，也激發(fā)了他們通過實驗驗證理論內(nèi)容的求知欲。該教學(xué)方法在實踐中應(yīng)用取得了較好效果，為學(xué)生更好地掌握“三電”課程的理論奠定了基礎(chǔ)。

三電課程； Multisim仿真分析； 教學(xué)方法

“三電”課程是指“電路原理”“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”3門課程?！叭姟闭n程不僅是電類專業(yè)的公共基礎(chǔ)課，而且是化工過程控制、醫(yī)學(xué)影像、材料工程等非電類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課[1]，也是工科院系的平臺課程?！叭姟闭n程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果直接影響到學(xué)生的后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)。因此，在有限的課堂教學(xué)時間內(nèi)，盡可能多地讓學(xué)生掌握專業(yè)知識、啟發(fā)他們的思維，是“三電”課程教學(xué)改革的重要內(nèi)容。

目前，最好用、最適用于“三電”課程的仿真軟件當(dāng)屬Multisim。Multisim軟件中有大量的元器件庫和虛擬儀器，還有各種分析工具和分析方法，如交流分析、瞬態(tài)分析和頻率分析等[2]。Multisim為“三電”課程的教學(xué)和實驗提供了廣闊的空間。充分發(fā)揮該軟件在教學(xué)和實驗中的優(yōu)勢，將其融入日常的“三電”理論教學(xué)當(dāng)中，也是將EDA(electronic design automation)技術(shù)引入課堂教學(xué)的有益嘗試。

1 “三電”教學(xué)中的問題

很多學(xué)校的“三電”課程課堂教學(xué)仍然采用理論講解—公式推導(dǎo)—例題分析的模式，課堂教學(xué)主要以理論講授為主，理論計算較多。當(dāng)教學(xué)內(nèi)容涉及微分方程和放大電路的分析時，理論講授就顯得較為復(fù)雜和繁冗，學(xué)生缺少主動的思考，教學(xué)效果不盡如人意。

學(xué)生在“三電”課程學(xué)習(xí)過程中存在以下問題。

(1) 學(xué)習(xí)興趣不濃。對于理論分析和公式推導(dǎo)有一種厭煩心理，學(xué)習(xí)效果不理想。

(2) 只會解題，不會應(yīng)用。例如對于一個典型電路，只會用固定的模式計算相關(guān)參數(shù)，而對電路的應(yīng)用卻不十分清楚，也就是沒有做到“學(xué)而思”。

(3) 對實驗課內(nèi)容缺少思考，表現(xiàn)在對儀器的使用、實驗?zāi)康暮蛯嶒瀮?nèi)容不清楚，往往在一節(jié)實驗課結(jié)束后，感覺并沒有掌握多少新知識，動手能力也沒有提高多少。

基于“三電”課程教學(xué)和實驗教學(xué)中存在的問題，我們申請了寧夏回族自治區(qū)高等教育本科教學(xué)質(zhì)量工程“電工電子教學(xué)團(tuán)隊”立項建設(shè)項目，并基于此提出了將仿真分析融入“三電”理論教學(xué)的教學(xué)方法改革，以期在“三電”課程的教學(xué)中實現(xiàn)仿真實踐和理論教學(xué)相互促進(jìn)的新的教學(xué)模式。

2 仿真分析的教學(xué)方法

我國教育工作者在將Multisim軟件用于電工電子實驗教學(xué)方面做了許多十分有意義的探討和實踐，將Multisim應(yīng)用于數(shù)字電路實驗中，運用Multisim虛擬仿真技術(shù)建設(shè)了電工電子實驗室，利用Multisim對電子電路綜合設(shè)計進(jìn)行了改革，在數(shù)字電路教學(xué)和電工電子教學(xué)中有很多成功的應(yīng)用[3-5]。

仿真分析的教學(xué)方法就是在“三電”理論課程教學(xué)中，對于理論計算和推導(dǎo)過程較多的教學(xué)內(nèi)容，先通過Multisim仿真觀察和分析電學(xué)現(xiàn)象，使學(xué)生有一個初步的感性認(rèn)識，讓學(xué)生帶著“為什么會有這樣的現(xiàn)象”的問題進(jìn)入課程的理論學(xué)習(xí)。在相關(guān)內(nèi)容的理論分析的過程中，將理論分析的結(jié)果和仿真實驗的結(jié)果進(jìn)行對比，用科學(xué)理論解釋在實際仿真中出現(xiàn)的現(xiàn)象，最后將理論內(nèi)容拓展到實際應(yīng)用，通過理論和仿真相結(jié)合的方法來闡明理論教學(xué)內(nèi)容。

本教學(xué)改革針對“三電”課程中理論知識內(nèi)容較多、計算較為復(fù)雜、學(xué)生不易接受的問題，將仿真分析的方法引入理論教學(xué)，提出仿真分析—理論解釋—實例應(yīng)用的“三電”課程教學(xué)方法。

3 仿真分析在“電路原理”理論教學(xué)中的應(yīng)用

戴維南定理是“電路原理”課程中重要的基本定理之一。該定理在純電阻電路、受控源電路、正弦穩(wěn)態(tài)電路等電路分析中有廣泛應(yīng)用，該定理的使用貫穿電路課程的始終，在電類專業(yè)課程的分析中也多次用到[10]。

然而，一些學(xué)生對該定理掌握得并不好。因此，在講授過程中，采用先用Multisim電路仿真進(jìn)行分析的教學(xué)方法。戴維南定理的仿真電路如圖1所示。該電路是一個既非串聯(lián)、也非并聯(lián)的電路。對于圖1所示電路，取支路電阻R6上的電流i6，用基爾霍夫電流和電壓定律以及網(wǎng)孔法、節(jié)點法，就顯得十分復(fù)雜，計算量也很大。

圖1 戴維南定理仿真電路

用仿真的辦法，先測得該支路電流i6=-0.958 mA后，再將電壓源V1置“0”(短路)，測得等效電阻Req=440.297 Ω，將R6去除測得開路電壓Uoc=-1.379 V，這時可以畫出圖2所示的等效電路。再次測量支路R6上的電流，仍然是i6= -0.958 mA。

圖2 戴維南定理仿真電路的等效電路

通過上述的仿真分析，學(xué)生可以看到圖1虛線框中的電路和圖2虛線框中的電路是等效的，即一個較復(fù)雜的電路可以等效為一個電壓源和一個電阻的組合，并且這一等效電路對同一個負(fù)載R6，其支路電流是不變的。

當(dāng)學(xué)生有了感性認(rèn)識后，對于戴維南定理——“任何一個線性含源二端網(wǎng)絡(luò)，總可以等效為一個電壓源和一個電阻的串聯(lián)”，學(xué)生就更容易理解。運用這種教學(xué)方式引入一個新的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生不會覺得十分突兀，并且會對仿真分析的內(nèi)容十分感興趣。通過對一個實例的分析說明一個定理的內(nèi)容，學(xué)生會帶著“為什么會這樣”的問題深入學(xué)習(xí)下去，對于定理的認(rèn)知程度明顯加深。對于復(fù)雜電路中無需分析的電路部分，也可以用簡單的等效電路替代，只留下需要分析的電路，這樣大大簡化了電路分析的復(fù)雜程度，這也就是戴維南定理的意義和主要應(yīng)用。

對于電路原理中涉及理論性較強的內(nèi)容，都可以先進(jìn)行仿真分析，再講解理論，最后說明定理和電路的應(yīng)用。這樣，學(xué)生會接受得更好，理解得更深刻。

4 仿真分析在“模擬電子技術(shù)”理論教學(xué)中的應(yīng)用

“阻容耦合單級放大電路的分析”是模擬電子技術(shù)課程中非常重要的內(nèi)容，只要對單級放大電路的分析掌握透徹了，學(xué)習(xí)多級放大電路、負(fù)反饋放大電路、差分放大電路、功率放大電路就不再困難[11]。因此，如何更好地講授這部分理論內(nèi)容，讓學(xué)生帶著問題、有興趣地探究學(xué)習(xí)，是模擬電路理論課程教學(xué)的關(guān)鍵問題。

首先，在講授理論知識前，用Multisim軟件對阻容耦合單級放大電路進(jìn)行仿真分析。單級放大電路仿真如圖3所示。

圖3中信號源輸出峰值10 mV、頻率1 kHz的正弦波信號，首先用示波器觀察輸出信號，示波器輸出波形如圖4所示。

圖3 單級放大仿真電路

圖4 單級放大電路輸入輸出信號

從圖4中可以明顯看出，輸入波形和輸出波形是反向的，相位差180°，這為后續(xù)課程講解單級放大倍數(shù)的負(fù)值表示輸出信號與輸入信號反向，給出了非常形象的解釋。從圖4中還可看出，輸出信號Vo的峰峰值有500 mV，而輸入信號Vi峰峰值只有20 mV，說明輸出信號確實有放大，也為講解單級放大電路的放大倍數(shù)奠定了基礎(chǔ)。

當(dāng)調(diào)節(jié)圖3中的可變電阻，使R5=20 kΩ(最大值的10%)時，輸出波形出現(xiàn)了削底失真，如圖5所示。有了這一形象的認(rèn)識之后，學(xué)生對于靜態(tài)工作點的設(shè)置和飽和失真的關(guān)系就很容易理解，并且很快能聯(lián)想到仿真過程看到的現(xiàn)象。這種感性和理性相結(jié)合的教學(xué)方式，不但使學(xué)生容易理解，而且使學(xué)生記憶深刻。仿真分析較好地解決了模擬電子技術(shù)教學(xué)中理論內(nèi)容不易理解和難于記憶的問題。

圖5 單級放大電路削底失真(飽和失真)

當(dāng)調(diào)節(jié)可變電阻，使R5=180 kΩ(最大值的90%)時，輸出波形出現(xiàn)了削頂失真，如圖6所示。同樣，學(xué)生看到這個仿真結(jié)果后，再去理解截止失真與靜態(tài)工作點的關(guān)系時，就會有一種豁然開朗的感覺。這種先仿真觀察現(xiàn)象、再進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的理論教學(xué)的方法，提高了課堂教學(xué)的效率，也增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究學(xué)習(xí)的動力。

圖6 單級放大電路削頂失真(截止失真)

先仿真和分析現(xiàn)象，再講授理論，這種教學(xué)方法不但有利于學(xué)生學(xué)習(xí)理論內(nèi)容，而且有利于教師課堂的教學(xué)效果。因為教師在理論教學(xué)之前已用實例證明了模擬電子電路中的一些問題和現(xiàn)象，因此，學(xué)生更易于接受相關(guān)理論知識，也更方便教師對于模擬電子電路理論的講解。

5 仿真分析在“數(shù)字電子技術(shù)”理論教學(xué)中的應(yīng)用

“數(shù)字電子技術(shù)”的理論教學(xué)要求學(xué)生掌握組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析。組合邏輯電路的輸出只與輸入有關(guān)；而時序邏輯電路的輸出與電路的上一個狀態(tài)有關(guān)[12]。本文僅以仿真分析在組合邏輯電路理論教學(xué)中的應(yīng)用為例，說明時序邏輯電路的仿真分析在理論教學(xué)中的應(yīng)用是類似的。

組合邏輯電路主要有編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)據(jù)比較器和加法器等電路。圖7所示為由74LS138組成的數(shù)據(jù)多路選擇器。

圖7 74LS138組成的數(shù)據(jù)多路選擇器

組合邏輯電路實現(xiàn)了從8路信號中選出1路信號至輸出端，也就是實現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)的選擇。當(dāng)圖7中的撥碼開關(guān)撥至101時，就選擇第5路數(shù)據(jù)輸出，輸出結(jié)果如圖8所示。

圖8 安捷倫示波器顯示數(shù)據(jù)多路選擇器結(jié)果

在數(shù)字電子技術(shù)理論課程的講述過程中，如果沒有先進(jìn)行仿真分析而直接講解數(shù)據(jù)多路選擇器，就要從74LS138的邏輯真值表講述，而且看不到實際的數(shù)據(jù)選擇結(jié)果，對于學(xué)生來說是從理論到理論的學(xué)習(xí)過程。但是，在講解數(shù)據(jù)選擇器之前先進(jìn)行仿真分析，學(xué)生就能夠通過示波器真實地看到第5路(D5)輸出了1 kHz、5 V的方波信號(見圖8)。有了仿真分析結(jié)果后，再講解相關(guān)理論知識和電路的實際應(yīng)用，也顯得十分明了。學(xué)生從圖8的仿真結(jié)果可以看到該數(shù)據(jù)選擇電路可以應(yīng)用在數(shù)字程控通信系統(tǒng)中，即數(shù)據(jù)選擇器的實際應(yīng)用。

先進(jìn)行仿真分析再講解理論的授課模式符合人們的認(rèn)知和學(xué)習(xí)規(guī)律。人們對新事物的認(rèn)識總是先感性認(rèn)識、再理性認(rèn)識，無論人們對自然規(guī)律的認(rèn)識，還是對社會規(guī)律的認(rèn)識，都是先發(fā)現(xiàn)問題的表象，再去研究問題的實質(zhì)。因此，在“三電”理論教學(xué)的過程中，采用仿真分析和理論教學(xué)相融合，即仿真分析—理論解釋—實例應(yīng)用的教學(xué)方法，既有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解理論知識，又符合學(xué)習(xí)和認(rèn)知的規(guī)律，還解決了目前“三電”理論課程教學(xué)中存在的問題。這種教學(xué)方法在我校“三電”理論教學(xué)中已經(jīng)取得了較好的效果，有很好的推廣和實際應(yīng)用價值。

6 結(jié)語

Multisim仿真分析和理論教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法，使學(xué)生帶著仿真看到的現(xiàn)象和問題進(jìn)入理論學(xué)習(xí)，更容易接受理論知識和提高探究學(xué)習(xí)的興趣。這種教學(xué)方法還會使學(xué)生更愿意在實際的儀器和元器件上驗證相關(guān)理論，并且實驗的目的性更明確。這種教學(xué)方法，不僅對學(xué)生學(xué)習(xí)理論內(nèi)容十分有利，而且使得學(xué)生在后續(xù)的實驗課程中更有目的性和針對性。

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Teaching method of integration of simulation analysis with “Three electricity” courses teaching

Zhao Hu, Yang Yi, Ding Liming, Huang Xianlian, Zhang Ling, Shi Wanli

(College of Electrical and Information Engineering， North University for Nationalities, Yinchuan 750021, China)

It is proposed that the teaching method of the Multisim simulation analysis is introduced into the theoretical teaching of “Simulation analysis-theoretical explanation-example application” in the “Three electricity” courses (Circuit Principle, Analog Electronic Technology and Digital Electronic Technology). This teaching method is beneficial to the students’ understanding of the theoretical content, enables them to learn theoretical knowledge with questions, stimulates their interest in learning, and at the same time motivates their desire for knowledge through experiments to verify theoretical content. This teaching method is applied in practice, the good effect is obtained,and the foundation is laid for students to better master the theories of the “Three electricity” courses.

“Three electricity”courses; Multisim simulation analysis; teaching method

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.029

TP15

B

1002-4956(2017)11-0121-05

2017-05-20

2014年寧夏回族自治區(qū)高等教育本科教學(xué)工程立項建設(shè)項目(電工電子教學(xué)團(tuán)隊)

趙虎(1975—)，男，山東章丘，碩士，副教授，主要研究方向為電工電子教學(xué)和激光雷達(dá)大氣探測.