江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 朱 莉 白 雪

“電工學(xué)”作為非電專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，理論性、實(shí)踐性都很強(qiáng)。課程涉及面廣，知識點(diǎn)繁多抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)起來普遍感到困難。2020年初，突如其來的新冠肺炎使留學(xué)生“電工學(xué)”線上教學(xué)變得異常困難。筆者將Multisim仿真運(yùn)用到留學(xué)生“電工學(xué)”理論教學(xué)中，激發(fā)留學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。同時(shí)，Multisim仿真突破了傳統(tǒng)教學(xué)模式的時(shí)間、空間和設(shè)備的限制，使“電工學(xué)實(shí)驗(yàn)”由傳統(tǒng)的線下實(shí)操轉(zhuǎn)為線上實(shí)驗(yàn)變得可行，形成一種新型的線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

“電工學(xué)”作為非電專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。具有課程涉及面廣、知識點(diǎn)繁多抽象等特點(diǎn)。學(xué)生學(xué)習(xí)起來普遍感到困難，尤其是對受教育程度參差不齊，自律性不強(qiáng)的留學(xué)生來說更是困難重重。2020年初突如其來的新冠肺炎迫使留學(xué)生教育從面對面的小班授課模式直接轉(zhuǎn)變?yōu)榧兙€上教學(xué)或線上線下相結(jié)合的模式。如何讓留學(xué)生集中注意力、調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性對任課教師是極大的挑戰(zhàn)。

目前，國內(nèi)疫情得到控制，在國內(nèi)的來華留學(xué)生已回歸課堂。然而，國外疫情形勢依然嚴(yán)峻，仍有許多留學(xué)生無法返回中國。借助各種網(wǎng)絡(luò)平臺，理論課程已經(jīng)可以在線上順利進(jìn)行。那么，線上實(shí)驗(yàn)課程該如何進(jìn)行呢？這也是任課教師一直在探索問題。

后疫情時(shí)代，筆者在總結(jié)前期線上教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將Multisim仿真融入“電子技術(shù)”（電工學(xué)Ⅱ）理論和實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)中，充分利用互聯(lián)網(wǎng)+和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，突破傳統(tǒng)教學(xué)模式的時(shí)空限制，理論與實(shí)踐相結(jié)合，在幫助留學(xué)生掌握電子電路的基本概念和基本分析方法的同時(shí)，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力。

1 來華留學(xué)生“電工學(xué)”線上線下混合式教學(xué)的背景

我校非電專業(yè)留學(xué)生自2013年起開設(shè)全英文授課“電工學(xué)”及“電工學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程，該課程2014年獲評“江蘇高校省級英語授課精品課程”，2018年獲評“江蘇大學(xué)精品在線開放課程”，錄有完整的理論教學(xué)視頻。

與國內(nèi)學(xué)生相比，我校留學(xué)生具有以下特點(diǎn)：時(shí)間觀念比較差，基礎(chǔ)教育水平較低，受教育程度參差不齊，不同學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度也截然不同。但是課堂氣氛比較活躍。傳統(tǒng)課堂教學(xué)都是小班面對面授課，對教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，教師可以一對一輔導(dǎo)。

2020年初突如其來的新冠肺炎迫使線上教學(xué)成為全國教育模式的主流，留學(xué)生教育也不例外，從面對面的小班授課直接隱退到手機(jī)和電腦屏幕的另一端，加劇了管理和教學(xué)的難度。2020年秋季學(xué)期，隨著國內(nèi)疫情得到控制，各高校逐漸復(fù)學(xué)，部分留在國內(nèi)的來華留學(xué)生已回歸課堂。然而，國外疫情形勢依然嚴(yán)峻，導(dǎo)致許多留學(xué)生無法返回中國，只能繼續(xù)依靠網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)完成學(xué)業(yè)，留學(xué)生教育又轉(zhuǎn)為線上線下相結(jié)合。在疫情常態(tài)防控的背景下，我們無法預(yù)測留學(xué)生們何時(shí)能夠返校，線上教學(xué)或?qū)⒊蔀樗麄兺瓿蓪W(xué)業(yè)的主要模式。

疫情打破了一切常規(guī)，但是也給教學(xué)改革帶來了契機(jī)。在適應(yīng)了各種智慧教學(xué)平臺后，如何結(jié)合“電工學(xué)”課程性質(zhì)和留學(xué)生自身特點(diǎn)對教學(xué)模式和內(nèi)容進(jìn)行改革，激發(fā)留學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性，以及如何充分利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)留學(xué)生工程實(shí)踐能力，對任課教師來說都是極大的挑戰(zhàn)。

2 Multisim軟件簡介

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，用軟件方法虛擬電子元器件及儀器、儀表，將元器件和儀器集合為一體，是原理圖設(shè)計(jì)、電路測試的虛擬仿真軟件。

將Multisim應(yīng)用到電工學(xué)理論教學(xué)中，利用其豐富的仿真元器件庫和儀器、儀表庫，可以將知識點(diǎn)中抽象的理論分析通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)時(shí)顯示出結(jié)果或波形，從而方便學(xué)生理解電路的工作原理。另外，Multisim軟件以圖形界面為主，采用菜單、工具欄和熱鍵相結(jié)合的方式，具有一般Windows應(yīng)用軟件的界面風(fēng)格，為用戶提供了所見即所得的設(shè)計(jì)環(huán)境、互動(dòng)式的仿真界面，即使是從未接觸過它的人稍加學(xué)習(xí)就可以很熟練地操作該軟件，并可以根據(jù)自己的習(xí)慣和熟悉程度自如使用。同時(shí)，英文版Multisim軟件可以方便留學(xué)生不受時(shí)空限制自己動(dòng)手進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，將抽象的理論形象化、具體化，將理論知識上升到新的感性高度，解決理論與實(shí)踐相脫節(jié)的問題。

3 Multisim在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 理論教學(xué)

二極管作為電子技術(shù)中最基本的元件，其主要性質(zhì)為單向?qū)щ娦?，即二極管外加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，外加反向電壓時(shí)截止。利用二極管的單向?qū)щ娦裕梢詷?gòu)成限幅電路。然而，對于剛剛接觸電子技術(shù)的學(xué)生來說，電子線路比電工電路更加抽象，不易理解。因此，筆者在課堂教學(xué)中首先從理論上分析限幅電路的工作原理，然后加入Multisim仿真演示。

圖1為用Multisim軟件繪制的限幅器仿真電路，電路中的二極管、電阻、電源都可以在Multisim元件庫中調(diào)用，該電路模型與課堂上分析的電路完全一致，圖中的XSC1是Multisim虛擬儀器庫中的雙蹤示波器。其中，chanel A用來測量二極管陽極電位，代表電源電壓，為輸入端；chanel B用來測量二極管陰極電位，代表輸出端。

圖1 限幅器Multisim仿真電路

圖2為示波器顯示的測量數(shù)據(jù)和仿真波形。當(dāng)電源電壓為9.978V時(shí)，陰極電位為9.3331V，可見二極管的正向壓降為0.647V。當(dāng)二極管陽極電位為－9.966V時(shí)，二極管截止，測得陰極電位為2V，說明二極管的反向電流為0，用具體的測量數(shù)據(jù)說明了二極管的單向?qū)щ娦?。同時(shí)chanel A、chanel B兩個(gè)通道分別實(shí)時(shí)顯示出輸入輸出電壓的仿真波形，使學(xué)生對限幅電路有了直觀認(rèn)識。

圖2 仿真波形

由此可見，將Multisim仿真融入課堂教學(xué)可以將抽象的理論知識具體化，形象化，方便學(xué)生理解和記憶。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

由于MultiSim提供了大量的元器件庫和虛擬儀器、儀表，并且提供了修改電路設(shè)計(jì)的靈活性，可實(shí)現(xiàn)學(xué)生在理論、仿真、實(shí)操實(shí)驗(yàn)之間的無縫銜接。為無法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生提供了一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。下面講述Multisim仿真在共射放大電路靜態(tài)分析中的應(yīng)用。

（1）靜態(tài)工作點(diǎn)的仿真分析

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，靜態(tài)工作點(diǎn)一般是用電壓表、電流表測量數(shù)據(jù)得到。而Multisim中包含了直流工作點(diǎn)分析功能。選擇Simulate>Analyses and Simulation>DC Operating Point，選擇I(Q1[IB])，I(Q1[IC])，V(3)，V(4)，加入對話框，然后點(diǎn)擊“RUN”，就可以得到仿真結(jié)果：IB=3.1μV，IC=659.4μV，VCE=4.1V。

圖3 分壓偏置共射放大電路

（2）仿真曲線

圖 4為Multisim中虛擬雙蹤示波器顯示的仿真曲線，Chanel A測量的是輸入電壓，ChanelB測量的是輸出電壓。由圖4可以直觀地看出輸入電壓與輸出電壓相位相反，從而驗(yàn)證了共射放大電路輸入輸出電壓的相位關(guān)系，與理論公式推導(dǎo)一致。另外，通過調(diào)節(jié)電阻R6的值，可以觀察靜態(tài)工作點(diǎn)對輸出電壓波形失真的影響。

圖4 仿真曲線

由此例可以看出，基于互聯(lián)網(wǎng)的Multisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以打破時(shí)空限制，使身在海外的留學(xué)生也能參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。

同時(shí)，本著“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，實(shí)驗(yàn)教師積極轉(zhuǎn)變教學(xué)思路、大膽創(chuàng)新、積極探索出了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三種教學(xué)模式：在線遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、錄播教學(xué)和互動(dòng)式自主學(xué)習(xí)教學(xué)。充分利用實(shí)驗(yàn)臺和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，突破傳統(tǒng)教學(xué)模式的時(shí)空限制，通過“實(shí)物操作+仿真操作”的方式，虛實(shí)結(jié)合、人人動(dòng)手，進(jìn)行線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

具體做法如下：

（1）挑選經(jīng)典實(shí)驗(yàn)內(nèi)容錄制教學(xué)視頻，優(yōu)化教學(xué)課件，并要求所有留學(xué)生提前熟悉Multisim軟件。

（2）實(shí)驗(yàn)前一周發(fā)布教學(xué)視頻，讓學(xué)生提前了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求。

（3）在國內(nèi)的留學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)操實(shí)驗(yàn)，用視頻直播教師的講解和學(xué)生的實(shí)操過程，包括元器件實(shí)物展示、按實(shí)驗(yàn)線路在實(shí)驗(yàn)臺上連線，在示波器上調(diào)試實(shí)驗(yàn)波形。

（4）在國外的留學(xué)生在電腦上搭建仿真電路，并展示仿真結(jié)果。

最后，將仿真結(jié)果與實(shí)操結(jié)果進(jìn)行比較、討論，以便課后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2020年秋季學(xué)期，無法返校的留學(xué)生應(yīng)用Multisim仿真順利完成了“電子技術(shù)”線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，基本達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果。

盡管在疫情防控期間，基于互聯(lián)網(wǎng)+的線上教學(xué)是被動(dòng)地對傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行的一種顛覆性變革，但筆者認(rèn)為，在疫情常態(tài)化防控的背景下，線上線下混合式教學(xué)模式將成為國際化教育的一種新常態(tài)。

根據(jù)留學(xué)生教學(xué)的特點(diǎn)，將Multisim仿真軟件應(yīng)用在“電工學(xué)”課程教學(xué)中可以充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)將抽象的理論知識可視化、形象化，最大程度地幫助留學(xué)生理解課程知識點(diǎn)，更好地激發(fā)留學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，從而提升課堂教學(xué)效果。同時(shí)，Multisim仿真軟件突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在時(shí)間、地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的限制，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，創(chuàng)建一個(gè)遠(yuǎn)程開放的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使“電工學(xué)實(shí)驗(yàn)”由傳統(tǒng)的線下教學(xué)轉(zhuǎn)為線上教學(xué)變得可行，為建設(shè)電工學(xué)遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺提供了一種解決方案，有利于提高留學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)技能型人才。

疫情強(qiáng)制性地帶來了對傳統(tǒng)教學(xué)模式顛覆性的變革。后疫情時(shí)代，快速發(fā)展的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代化的教學(xué)方法將會(huì)更加深刻地影響和融入到“電工學(xué)”教學(xué)改革中。