李海港+張勇+王香婷

[摘 要]針對電工與電子技術(shù)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，學(xué)院將美國NI公司的Multisim仿真軟件引入創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并提出了基于Multisim的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。經(jīng)過實(shí)踐證明，該方法不僅有助于學(xué)生創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)，同時(shí)降低了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中器件損耗及設(shè)備的故障率。

[關(guān)鍵詞]Multisim軟件；電工與電子技術(shù)；開放式設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）11-0069-03

電工與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程是電工與電子技術(shù)課程的重要組成部分，其中創(chuàng)新性的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維、增強(qiáng)學(xué)生思考和動手能力等有很大幫助。[1]但是我們在開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中發(fā)現(xiàn)其還存在諸多問題，如學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中往往容易造成器件、設(shè)備的損壞，設(shè)備故障率很高，給創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)室的管理帶來了新的挑戰(zhàn)。[2][3]針對這種現(xiàn)狀，為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果，探索新的教學(xué)方法與手段，我們采取了多種措施。Multisim12軟件是美國國家儀器NI公司推出的一款功能強(qiáng)大且具有創(chuàng)新內(nèi)涵的虛擬仿真軟件，它能解決在傳統(tǒng)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的諸多問題[4][5]：1.可以減少電子元器件的損耗、降低電子設(shè)備的投入；2.可以大大提高學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路及驗(yàn)證的效率；3.可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識的技能，以及獨(dú)立思考的能力。

一、Multisim仿真軟件概況

Multisim軟件是美國國家儀器（NI）公司的一款功能十分強(qiáng)大的仿真軟件，該軟件具有多種輸入方式，例如原理圖、硬件描述語言等。輸入方式比較靈活，同時(shí)仿真功能十分豐富。

它是一個(gè)電工與電子技術(shù)設(shè)計(jì)虛擬電子工作平臺。Multisim軟件中的虛擬儀器功能強(qiáng)大，它能模擬各種真實(shí)的儀器；能夠?qū)Ω鞣N類型的電路例如模擬電路、數(shù)字電路及模數(shù)混合電路進(jìn)行各種的功能仿真；具有極其友好的交互圖形界面；能夠在個(gè)人計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)能夠模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的平臺環(huán)境，滿足各種需求的電路方案可行性的仿真驗(yàn)證。

Multisim仿真軟件提供了豐富的電路元器件庫以及種類齊全的電子設(shè)備。[6]該款軟件集合了三種國際知名的電子測量儀器供應(yīng)商安捷倫公司的相關(guān)儀器，軟件集成的精度達(dá)到6位半安捷倫數(shù)字萬用表。其還集成了帶寬可達(dá)到100MHZ的高性能安捷倫示波器。這些虛擬儀器，在Multisim軟件中呈現(xiàn)出來的面板、調(diào)節(jié)旋鈕、人機(jī)界面等和真實(shí)的安捷倫公司的同類同型號的實(shí)際電子測量儀器完全一樣，操作方式也完全相同。模擬真實(shí)儀器效果十分逼真。[7][8]

二、基于Multisim仿真實(shí)驗(yàn)研究方法

根據(jù)電類實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)及需求，本文從三個(gè)方面闡述Multisim軟件在電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用。

（一）基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)

按照“理論教學(xué)—計(jì)算機(jī)仿真—實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)”的教學(xué)方式，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)講義給出的實(shí)驗(yàn)任務(wù)和要求，先在Multisim軟件環(huán)境中對實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行仿真及測試，然后再在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺上搭建相同的實(shí)際電路進(jìn)行調(diào)試并觀察實(shí)驗(yàn)的真實(shí)結(jié)果，最后將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與硬件實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比分析。該種實(shí)驗(yàn)形式可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)這一難題。學(xué)生可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論指示用計(jì)算機(jī)仿真再現(xiàn)出來，并且可以采用不同的電路分析方式對電路進(jìn)行多種測試，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，真正做到了變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，明顯提高了實(shí)驗(yàn)效率。

（二）提高型實(shí)驗(yàn)

指導(dǎo)教師在規(guī)定的典型實(shí)驗(yàn)中可以設(shè)置一些隱含故障（如各種元器件引線的短路、開路和漏電等），要求學(xué)生根據(jù)電路原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來判斷故障所在并加以排除。這類實(shí)驗(yàn)在原有的實(shí)驗(yàn)平臺上很難實(shí)現(xiàn)，必須采用專門的儀器設(shè)備，現(xiàn)在采用Multisim軟件模擬就能很容易做到。它可幫助學(xué)生深入理解電路原理，并能有效地培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。同時(shí)，掌握應(yīng)用Multisim軟件對電子電路進(jìn)行故障分析診斷，將會給學(xué)生在分析診斷比較復(fù)雜的電路故障及資料不全的電氣故障時(shí)帶來極大的方便。隨著仿真技術(shù)應(yīng)用的逐步推廣，它將會很快成為對電子電路進(jìn)行故障分析診斷的一種重要手段和有效方法。

（三）創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前可由指導(dǎo)教師提出設(shè)計(jì)題目，也可以由學(xué)生根據(jù)自己的興趣自擬題目；實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生自行設(shè)計(jì)原理圖并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最后輸出各參數(shù)的分析報(bào)告。該方法最適合在開放性實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生的綜合課程設(shè)計(jì)中使用，它能有效地培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新性思維和電子線路的開發(fā)能力。Multisim軟件對學(xué)生欲進(jìn)行的設(shè)計(jì)內(nèi)容沒有任何限制，不需要進(jìn)行任何實(shí)驗(yàn)設(shè)備和元器件的準(zhǔn)備工作，學(xué)生只要有靈感、有創(chuàng)新精神就可以自行設(shè)計(jì)各種電路，并能及時(shí)地通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)是否正確、合理，是否能達(dá)到設(shè)計(jì)目的，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和激發(fā)他們的科技創(chuàng)新欲望，較好地培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高技能人才。

之前的開放式設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，開放式設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的一般流程是：1.構(gòu)思一個(gè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，繪制相關(guān)的電路原理圖，采購所需元器件，在萬能板上搭建和焊接電路。2.調(diào)試電路，驗(yàn)證電路的相關(guān)性能，在此過程中需要反復(fù)修改并調(diào)試電路，直至滿足全部性能指標(biāo)。

本文所提的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，通過引入Multi？鄄sim仿真軟件，就能夠開發(fā)出滿足不同層次的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和綜合型實(shí)驗(yàn)，滿足不同專業(yè)、不同層次學(xué)生的培養(yǎng)需求。[6]基于Multisim仿真軟件的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法如框圖1所示，學(xué)生根據(jù)相關(guān)的題目，自行思考、提出創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案并先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理電路設(shè)計(jì)，在仿真軟件中搭建一個(gè)虛擬的電路仿真模型，不斷地設(shè)計(jì)、調(diào)試、修改逐步完善實(shí)驗(yàn)原理圖的設(shè)計(jì)，直到達(dá)到相關(guān)設(shè)計(jì)需求。endprint

通過引入Multisim仿真軟件的新型創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法和設(shè)計(jì)過程我們能夠看到，仿真軟件在新型創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中展現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢。在創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中對設(shè)計(jì)的電路可以很快修改電路參數(shù)，及時(shí)更換電路元件，并且能夠及時(shí)看到仿真結(jié)果，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這比傳統(tǒng)方法大大提高了設(shè)計(jì)效率，還充分調(diào)動了學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。

仿真軟件提供了各種元器件，極大地方便了學(xué)生的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)室配備的器件種類是有限的，而學(xué)生的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是開放的，可能會造成學(xué)生找不到所需器件的問題。另外，軟件提供了各種豐富的儀器，例如波特圖儀，同時(shí)提供了強(qiáng)大的分析功能，比如噪聲分析、失真度分析，這些分析儀器可加深學(xué)生對電路的理解。

對于高電壓、大電流等有一定危險(xiǎn)性的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，通過仿真軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理圖，理論驗(yàn)證正確后，再構(gòu)建實(shí)際創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，能夠有效保障實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的生命安全，增加安全系數(shù)。

三、Multisim軟件在“電工與電子技術(shù)”創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

多功能的函數(shù)信號發(fā)生器是電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中經(jīng)常使用到的電子儀器。在創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)開展過程中，我們以簡易的波形信號發(fā)生器為題，訓(xùn)練學(xué)生自己構(gòu)建一個(gè)簡易的信號發(fā)生器。信號發(fā)生器是一個(gè)相對比較復(fù)雜的純硬件電路設(shè)計(jì)，如果直接讓學(xué)生用實(shí)際電路搭建，學(xué)生往往會因?yàn)楦鞣N因素造成很多電路故障，不利于學(xué)生創(chuàng)造性的發(fā)揮。將Multisim軟件引入創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程后，可以非常方便地構(gòu)建及調(diào)試驗(yàn)證。

如下圖2所示，創(chuàng)建一個(gè)簡易的波形信號發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等三種波形。通過圖中的虛擬四通道的示波器觀測這三種波形，為了更好地區(qū)分這三種波形，虛擬示波器的三個(gè)輸入端分別以紅色、粉色、綠色的導(dǎo)線予以區(qū)分。

電路搭建正確后，按下啟動仿真按鈕，得到仿真曲線圖3，從圖3可以非常方便地看到整個(gè)仿真的效果?？梢栽趫D2中修改相關(guān)的電路參數(shù)，觀察圖3中波形的變化情況，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

四、結(jié)束語

本文針對高校電工與電子技術(shù)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)開展的實(shí)際需求，和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不能適用于創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，通過使用Multisim軟件設(shè)計(jì)了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維，同時(shí)降低了實(shí)驗(yàn)室硬件資源的損壞率，使教學(xué)過程生動直觀，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：劉鳳華]endprint