熊 麗，祁麗婉，王琦山，張科智，張維寶

(河西學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 張掖734000)

1 概述

隨著電氣電子、自動(dòng)化信息類專業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和要求，考慮到高等教育工科類學(xué)生的就業(yè)需求和教學(xué)過(guò)程中對(duì)電路課程的要求越來(lái)越高，如何處理該門(mén)課程所面臨的學(xué)時(shí)減少而內(nèi)容不減之間的矛盾，怎樣有效地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和興趣以及創(chuàng)新實(shí)踐能力等諸多問(wèn)題依然是電路課程教學(xué)過(guò)程中需要不斷探索的問(wèn)題[1]。該課程內(nèi)容較多，電路邏輯性較強(qiáng)，工程應(yīng)用要求較高，分析方法較多，需要具備一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，是電氣電子、自動(dòng)化信息等諸多學(xué)科考研的必考專業(yè)課程[2,3]。對(duì)于部分學(xué)生來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)難度較大，尤其是正弦穩(wěn)態(tài)交流電路的分析部分。

2 教學(xué)手段的改進(jìn)

2.1 多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合

由于電路這門(mén)課程中有著大量的公式和電路圖，尤其是電路圖千變?nèi)f化，稍微改變電路的連接方式，就會(huì)導(dǎo)致電路的分析方法也隨之發(fā)生變化。如果仍然采用傳統(tǒng)的板書(shū)教學(xué)方式，為了避免學(xué)生不清楚公式的來(lái)龍去脈以及電路的連接方式，就需要在課堂上花費(fèi)一定的時(shí)間在黑板上推導(dǎo)公式和畫(huà)各類電路圖，這樣會(huì)直接導(dǎo)致課堂效率的大大降低，特別會(huì)造成內(nèi)容多與學(xué)時(shí)少之間的矛盾愈加突出。此外，電路課程中的諸多內(nèi)容若僅靠教師的語(yǔ)言講解，學(xué)生是很難真正理解并掌握的。例如，像電容元件和電感元件內(nèi)容的講解，如果老師只是按部就班地對(duì)其定義、伏安關(guān)系和儲(chǔ)能按照書(shū)上的介紹進(jìn)行講解，學(xué)生難免會(huì)覺(jué)得枯燥乏味，甚至有些學(xué)生會(huì)覺(jué)得自己連真實(shí)的電容器和電感器都沒(méi)有見(jiàn)過(guò)，怎么去理解它的特性呢？更準(zhǔn)確地說(shuō)，就是學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)很抽象，沒(méi)有感性的認(rèn)識(shí)，老師只是灌輸性地傳授知識(shí)給學(xué)生，而學(xué)生也是被動(dòng)地去接受知識(shí)。

通過(guò)多年的實(shí)踐和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，這些年將多媒體教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，在電路課程的教學(xué)上取得了良好的效果。例如，上述對(duì)電容元件和電感元件內(nèi)容的講解，可以通過(guò)多媒體圖片和網(wǎng)絡(luò)視頻讓學(xué)生先從感官上對(duì)實(shí)際的電容器和電感器有所認(rèn)識(shí)，并對(duì)這些基本電路元器件的工作原理和工作過(guò)程有所了解，然后再結(jié)合板書(shū)教學(xué)抽象出它們的理想模型并進(jìn)行分析。需要注意的是，多媒體教學(xué)也具有局限性，尤其是對(duì)于電路課程，老師往往會(huì)因?yàn)榘盐詹缓谜n堂的節(jié)奏講授內(nèi)容過(guò)快過(guò)多從而影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。故重點(diǎn)是有效地將二者結(jié)合起來(lái)，才能起到畫(huà)龍點(diǎn)睛、錦上添花的效果。

2.2 電路仿真教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合

由于電路系統(tǒng)的實(shí)際裝置包括各種設(shè)備、器件和元件等，直接對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行分析和研究是很復(fù)雜、很困難、甚至是不可能的。像其它許多成熟完備的學(xué)科一樣，電路理論也必須采用科學(xué)的抽象分析方法，即用模型來(lái)代替實(shí)際電路元件的外部功能。因此，電路課程中所講述的電路模型都是從實(shí)際電路中抽象而來(lái)的，或者通過(guò)研究電路模型從而得到實(shí)際電路的工作性能及效果。故該課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性、應(yīng)用性和綜合性，在該課程的教學(xué)中避免不了對(duì)一些經(jīng)典的電路定理和電路分析方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。之前的教學(xué)方法都是先對(duì)學(xué)生進(jìn)行電路理論知識(shí)的講授，再讓學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室對(duì)部分所學(xué)電路原理進(jìn)行驗(yàn)證，綜合應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)基本不涉及，再加上實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限以及都是集成化的，導(dǎo)致學(xué)生自主思考動(dòng)腦和真正動(dòng)手實(shí)踐的部分其實(shí)很少，這對(duì)于電氣電子、自動(dòng)化信息類專業(yè)的學(xué)生而言是極大的限制和束縛。若借助電路仿真軟件開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)探究可極大地改善上述問(wèn)題。一方面，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索欲望以及動(dòng)手實(shí)踐和設(shè)計(jì)創(chuàng)新技能；另一方面，可以提高教師在課堂中的有效教學(xué)并增進(jìn)師生間的互動(dòng)。

3 Multisim 電路仿真教學(xué)手段的應(yīng)用實(shí)例

3.1 Multisim 電路仿真軟件介紹

Multisim 是加拿大圖像交互技術(shù)公司推出用于模擬、數(shù)字和電力電子領(lǐng)域的軟件，目前應(yīng)用于電路仿真與電路教學(xué)等。該軟件有多種虛擬儀表和各種元器件，元器件放置在各個(gè)庫(kù)中。用戶可自由地選擇所需測(cè)量?jī)x表與元器件。整個(gè)Multisim 的操作方法就像在電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)做實(shí)驗(yàn)，把電路中所需的元器件和測(cè)量?jī)x器找到并點(diǎn)擊到確定位置屏幕上，修改其參數(shù)，點(diǎn)擊鼠標(biāo)可將它們連接起來(lái)，測(cè)量?jī)x器的操作方法都與實(shí)物類似，測(cè)量所得的數(shù)據(jù)、波形如同在真實(shí)儀器上看到的[4]。Multisim 的應(yīng)用步驟為：雙擊打開(kāi)圖標(biāo)，即可出現(xiàn)設(shè)計(jì)工具箱，里面有個(gè)新建的文檔設(shè)計(jì)1，只需把自己需要的元件在元件庫(kù)里找到，修改參數(shù)，連接即可仿真。其界面圖如圖1 所示。

圖1 Multisim 軟件的頁(yè)面圖

3.2 混沌電路仿真教學(xué)實(shí)例

混沌電路是屬于電路課程體系中非線性電路與系統(tǒng)分支的綜合應(yīng)用研究型學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)習(xí)難度較大。本節(jié)所選取的電路仿真教學(xué)實(shí)例是混沌電路中比較典型的Lorenz 混沌電路。具體的Multisim 仿真步驟如下：

（1）雙擊打開(kāi)Multisim 軟件，點(diǎn)擊新建文檔。

（2）找到所需元件，電阻在主數(shù)據(jù)庫(kù)中的Sources,電容在Basic,模擬乘法器是在系列中的CONTRCL—FUNCTION_BLOCKS 中的MULTIPLIER，集電放大器是在Analog 中的OPAMP_3T_VIRTUAL。

（3）改變參數(shù)，放置位置，連接線路。

（4）保存并開(kāi)始仿真，仿真電路圖如圖2 所示。

圖2 Multisim 電路仿真圖

通過(guò)Multisim 電路仿真得到三個(gè)二維的混沌相圖，即XY 相圖、XZ 相圖和YZ 相圖，如圖3（a）、3（b）、3（c）所示，即得到了如同蝴蝶翅膀那樣的混沌相圖，但是該二維混沌相圖并不是很完美。

圖3 基于Lorenz 混沌電路的Multisim 仿真相圖

接著啟發(fā)學(xué)生將基本Lorenz 方程的混沌相圖[5]與上述Multisim 仿真結(jié)果與圖3（a）、3（b）和3（c）做對(duì)比，其目的是讓學(xué)生通過(guò)對(duì)比觀察發(fā)現(xiàn)上述混沌相圖并不完美的這一現(xiàn)象。為了深入分析這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，再引導(dǎo)學(xué)生分別對(duì)所設(shè)計(jì)的Lorenz 混沌電路的某些元器件賦予不同的電路參數(shù)值，對(duì)其電路參數(shù)發(fā)生變化時(shí)的各個(gè)混沌相圖進(jìn)行分析、對(duì)比仿真研究，并觀察這些混沌現(xiàn)象：

①其余電路參數(shù)值不變，改變電容的電容值，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電容值大于0.4uF 時(shí)，觀測(cè)到的Multisim 仿真混沌相圖與基本Lorenz 方程的混沌相圖一致。例如，當(dāng)C1=0.6uF 時(shí)，仿真結(jié)果見(jiàn)圖4（a）、4（b）和4（c）。

圖4 C1=0.6uF 時(shí)的Multisim 仿真混沌相圖

②其余電路參數(shù)值不變，改變模擬乘法器A1的參數(shù)值，其Multisim 仿真得到的混沌相圖結(jié)果如圖5（a）、5（b）和5（c）所示。

圖5 模擬乘法器A1 為0.05V/V 時(shí)的仿真結(jié)果

最后，再引導(dǎo)學(xué)生對(duì)上述Multisim 電路仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而得出如下結(jié)論：通過(guò)改變Lorenz 混沌電路中的電阻、電容、模擬乘法器等元器件的參數(shù)值，可以使系統(tǒng)的混沌現(xiàn)象發(fā)生改變，這是因?yàn)榛煦缦到y(tǒng)具有對(duì)初始條件極端敏感的特性，只要初始條件發(fā)生細(xì)微的改變，結(jié)果就會(huì)發(fā)生巨大的差異。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論的正確性和有效性，要求學(xué)生在課后利用網(wǎng)絡(luò)搜索一些其它類型的典型混沌電路，例如蔡氏電路、Jerk 電路等，并通過(guò)同樣的方法利用Multisim 軟件對(duì)其進(jìn)行電路仿真實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)混沌現(xiàn)象以及混沌電路的理解和認(rèn)知，甚至可以利用所學(xué)電路知識(shí)自己設(shè)計(jì)出不同的混沌電路來(lái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電路這門(mén)課程教學(xué)手段的改進(jìn)，將多媒體教學(xué)和電路仿真教學(xué)相結(jié)合，使得本校的電路課程取得了較好的教學(xué)效果，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手能力和實(shí)踐能力，而且提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。