李亞寧

（空軍工程大學(xué) 電子技術(shù)教研室，陜西 西安 710051）

1 教學(xué)現(xiàn)狀分析

“電路分析基礎(chǔ)”是空軍工程大學(xué)電子類、機(jī)電類本科生必修的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其理論性很強(qiáng)，講述的是電子技術(shù)中最基本的理論和最有代表性的電路。它擔(dān)負(fù)著普及電路基礎(chǔ)知識(shí)和為后續(xù)專業(yè)課程打基礎(chǔ)的雙重任務(wù)。

“電路分析基礎(chǔ)”課程教學(xué)一般由理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。在目前的教學(xué)模式下，理論和實(shí)驗(yàn)課教學(xué)存在著一定的弊端，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)是分開進(jìn)行的，而這兩個(gè)環(huán)節(jié)在課程教學(xué)進(jìn)度的編排上是分開的，理論課按照自己的進(jìn)度實(shí)施，實(shí)驗(yàn)課也是如此，所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)理論課學(xué)完了，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)還沒開始，有時(shí)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)做了，而理論還沒學(xué)到，這就造成了兩者之間的脫節(jié)。（2）在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占大部分比重，學(xué)生只要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給出的電路和步驟操作即可完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)對(duì)電路的理論知識(shí)仍然是一知半解。由于學(xué)時(shí)的限制，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容相對(duì)固定，實(shí)驗(yàn)室就不能對(duì)課堂上的知識(shí)點(diǎn)逐一進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)室里完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)一般需要2～3個(gè)學(xué)時(shí)，對(duì)于一些復(fù)雜的電路和抽象的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生就很難按時(shí)、按質(zhì)、按量完成實(shí)驗(yàn)，從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)不全，課后學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能全面分析，就造成了“理論學(xué)不懂，實(shí)驗(yàn)做不動(dòng)”的局面[1]。

2 利用仿真軟件輔助課堂教學(xué)

運(yùn)用仿真軟件教學(xué)，可以任意設(shè)計(jì)電路、觀察運(yùn)行狀況、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，學(xué)生對(duì)教師講解的內(nèi)容能非常直觀地看到、理解，并且可以嘗試進(jìn)行修改，增加了教與學(xué)的互動(dòng)。

Multisim最初是由加拿大IIT（Interactive Image Technologies）公司推出的電路設(shè)計(jì)與仿真軟件。它提供了豐富的元件庫，提供了包括示波器、頻譜分析儀等多種虛擬儀表；它具有完備的分析手段，如交直流分析、動(dòng)態(tài)分析、瞬態(tài)分析、噪聲圖形分析等多種分析手段，基本上能滿足一般電路設(shè)計(jì)與仿真的要求；它圖形界面簡(jiǎn)單、直觀易用，電路圖的建立、仿真、分析和結(jié)果顯示均在同一環(huán)境中完成，不必在不同的程序間進(jìn)行切換。

在“電路分析基礎(chǔ)”課堂教學(xué)中引入Multisim仿真軟件，突破了時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可以在課后時(shí)間繼續(xù)進(jìn)行研究，做到了實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂；從另一個(gè)層面上來講，在理論課上引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，拓展了學(xué)生的知識(shí)面。掌握一種功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件并將其應(yīng)用于將來的工程實(shí)踐，是電氣工程師在實(shí)際工程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)中常用的手段，先在虛擬實(shí)驗(yàn)中對(duì)電路的原理、可行性、功能等一系列指標(biāo)進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證，根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果和結(jié)論再修改設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)并最終獲得產(chǎn)品，將來學(xué)生在實(shí)際科研項(xiàng)目或畢業(yè)設(shè)計(jì)中都需要用到這種模式，從而將能力培養(yǎng)與素質(zhì)培養(yǎng)真正落到實(shí)處[2]。

3 實(shí)施過程舉例

科學(xué)、合理、有效地選擇教學(xué)方法，對(duì)教學(xué)效果至關(guān)重要。Multisim仿真軟件加入“電路分析基礎(chǔ)”課堂教學(xué)后，仿真環(huán)節(jié)的設(shè)置需要老師進(jìn)行合理的安排，這個(gè)環(huán)節(jié)是對(duì)老師的考驗(yàn)。在教學(xué)過程中，靈活地將虛擬實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)結(jié)合起來，比如先講理論，再通過虛擬實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，也可以先通過虛擬實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生看到一種現(xiàn)象，然后帶著問題進(jìn)入理論的學(xué)習(xí)中去，最后再回到實(shí)驗(yàn)中獲得最直觀的理解和體驗(yàn)。當(dāng)學(xué)生對(duì)電路相關(guān)理論以及虛擬仿真軟件有了一定的了解后，就可以給學(xué)生布置擴(kuò)展的內(nèi)容，由學(xué)生課下去做進(jìn)一步的發(fā)掘和研究，以提高他們的綜合能力[3]。

3.1 案例1：疊加定理

根據(jù)疊加定理理論描述，搭建如圖1所示電路。圖中3個(gè)電流表分別測(cè)量了電源共同作用和單獨(dú)作用時(shí)，所求支路電流的大小，其代數(shù)和滿足疊加定理。

得到直觀的展示后，再解釋疊加的本質(zhì)即可加性和比例性。利用此性質(zhì)，在線性電路中，可將復(fù)雜的電路轉(zhuǎn)換為若干個(gè)簡(jiǎn)單電路之和，或?qū)㈦娐分械慕庾兞吭O(shè)為已知，利用電路中的比例關(guān)系求出該變量。在電路分析中，這是一種重要的分析方法，利用這種思想可以避免列方程，簡(jiǎn)化求解過程。

圖1 根據(jù)疊加定理理論描述搭建的電路

3.2 案例2：RLC串聯(lián)電路（全響應(yīng)）

當(dāng)電路中含有兩個(gè)獨(dú)立的動(dòng)態(tài)元件時(shí)，這樣的動(dòng)態(tài)電路稱為二階電路，搭建如圖2所示電路。

圖2 二階電路

和一階電路不同，這類電路的響應(yīng)可能出現(xiàn)震蕩的形式。當(dāng)初始儲(chǔ)能和外加激勵(lì)共同作用時(shí)，響應(yīng)為全響應(yīng)，即零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)的疊加。零狀態(tài)響應(yīng)和外加激勵(lì)具有相同的形式，而零輸入響應(yīng)可分為過阻尼、臨界阻尼、欠阻尼、無阻尼4種情況，兩者疊加即為全響應(yīng)的結(jié)果。

這個(gè)過程講起來費(fèi)事，學(xué)生也是云山霧繞不明所以。如果把實(shí)物實(shí)驗(yàn)帶進(jìn)課堂，所需設(shè)備準(zhǔn)備、調(diào)試麻煩，也不便于全體學(xué)生觀察，我們就用Multisim軟件制作了一個(gè)RLC串聯(lián)電路，通過投影設(shè)備演示出來。在電路輸出端連接一臺(tái)虛擬示波器，以觀察產(chǎn)生信號(hào)的波形。從虛擬示波器上可以直接觀察到電路的各種狀態(tài)[4]。

調(diào)整電阻R的值，可以觀察到過阻尼、臨界阻尼、欠阻尼、無阻尼4種情況。

在理解電路原理的基礎(chǔ)上，可以適時(shí)加入幾個(gè)簡(jiǎn)易電路小制作、知識(shí)拓展、實(shí)際應(yīng)用電路等，既有助于鞏固學(xué)生對(duì)基本電路原理的認(rèn)知，又能培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造的熱情[5]。

4 結(jié)語

對(duì)于理論教學(xué)來說，將Multisim引入電路分析基礎(chǔ)教學(xué)中，利用其強(qiáng)大的仿真功能，對(duì)課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)電路進(jìn)行電路仿真，利用虛擬儀器儀表和仿真分析法可以得到電路的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和響應(yīng)曲線，大大加深了學(xué)生對(duì)基本概念的理解。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)來說，擺脫了完全依賴實(shí)驗(yàn)室的困境。硬件實(shí)驗(yàn)和軟件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)方法和內(nèi)容上互為補(bǔ)充，讓學(xué)生可以系統(tǒng)地完成該課程的所有的實(shí)驗(yàn)，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

Multisim仿真軟件的引入，對(duì)“電路分析基礎(chǔ)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)兩個(gè)環(huán)節(jié)，都起到了極大的補(bǔ)充與促進(jìn)，很大程度上開闊了學(xué)生的思維和動(dòng)手能力，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣和積極性。