張瑞,呂宗旺,付麥霞
(河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州 450001)
電路分析是電子信息類專業(yè)的一門理論性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課[1-3],對于后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)有很強(qiáng)的支撐作用,在整個電子信息類專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和課程體系中起著承前啟后的關(guān)鍵作用,也是很多高校的考研科目之一.該課程物理概念較多,理論性強(qiáng),涉及的分析方法密集,同時(shí)與實(shí)際工程技術(shù)又有較緊密的聯(lián)系[4].新工科理念的提出[5-6],促使電路課程進(jìn)行更深入的教學(xué)改革.
Multisim 仿真軟件非常適合電路設(shè)計(jì)仿真[7],設(shè)計(jì)者可以直接從Multisim 軟件庫中找到常用的各種型號和功能的元器件,避免了在硬件實(shí)驗(yàn)過程中對各種元器件調(diào)試,并且軟件自帶示波器、信號發(fā)生儀等儀器儀表,使得觀察的仿真結(jié)果形象、直觀,與真實(shí)的測量結(jié)果一致性較高.為了使電路理論形象化,將虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)[8-10],輔助理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn),使學(xué)生的學(xué)習(xí)更加深入,并提高學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動性,從而呈現(xiàn)教育教學(xué)的新質(zhì)量.
電路課程理論分析方法較多,所學(xué)內(nèi)容涉及高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理等課程的基礎(chǔ)知識,學(xué)生不但需要將以前的微積分、一階微分方程求解、線性代數(shù)等相關(guān)概念、求解方法應(yīng)用于新知識,還需要接收較多的新內(nèi)容,容易產(chǎn)生問題積累.同時(shí),低年級的學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)較弱,而課堂授課過程中通常只能以理論講解為主,而實(shí)際應(yīng)用結(jié)合較少,學(xué)生學(xué)習(xí)過程中對理論知識缺少直觀感受,理解膚淺,難學(xué)易忘.
硬件實(shí)驗(yàn)場地與理論教室是分開的,實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限.受上課場地的影響不能將該門課程中所講的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行具體的、形象的實(shí)踐,導(dǎo)致學(xué)生難以真正理解相關(guān)知識點(diǎn).即使有部分知識點(diǎn)有對應(yīng)硬件實(shí)驗(yàn),但是由于時(shí)間與理論教學(xué)不同步,實(shí)驗(yàn)時(shí)間不充分,學(xué)生容易為做實(shí)驗(yàn)而做實(shí)驗(yàn),不能充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的作用.
大一第二學(xué)期學(xué)生還不能完全從高中的學(xué)習(xí)模式過渡到大學(xué)的生活和學(xué)習(xí)模式當(dāng)中,過度依賴教師的課堂講解,自主學(xué)習(xí)、知識拓展能動性有待進(jìn)一步提高.
以RC 一階動態(tài)電路(見圖1)的響應(yīng)為例.
圖1 一階RC 動態(tài)電路
2.1.1 零狀態(tài)響應(yīng) 設(shè)t=0-時(shí),uc(0-)=0 V,即為零狀態(tài).t≥0時(shí),開關(guān)S 閉合到a.電路中的u c(t)根據(jù)定義為零狀態(tài)響應(yīng),故
式中:τ=RC=0.01 s=10 ms為時(shí)間常數(shù).根據(jù)數(shù)學(xué)知識,uc(t)的VCR 曲線應(yīng)該向10 V 無限逼近,為電容的充電過程.
2.1.2 零輸入響應(yīng) 設(shè)t=0-時(shí),uc(0-)=10 V.t≥ 0時(shí),開關(guān)S閉合到b.電路中的u c(t)根據(jù)定義為零輸入響應(yīng),故
式中:τ=RC=0.01 s=10 ms為時(shí)間常數(shù).根據(jù)數(shù)學(xué)知識,uc(t)的VCR 曲線應(yīng)該從10 V 向0 V 無限逼近,為電容的放電過程.
2.1.3 全響應(yīng) 設(shè)t=0-時(shí),uc(0-)=10 V .t≥ 0時(shí),開關(guān)S 閉合到a.電路中的u c(t)根據(jù)定義為零狀態(tài)響應(yīng),故
式中:τ=RC=0.01 s=10 ms為時(shí)間常數(shù).
學(xué)生對這些知識點(diǎn)的理解極大地依賴數(shù)學(xué)理論,數(shù)學(xué)理論不扎實(shí)的學(xué)生理解起來更加困難,不形象,不生動.
將Multisim 仿真軟件引入理論課堂教學(xué),課前用Multisim 仿真軟件設(shè)計(jì)好電路,利用媒體設(shè)備向?qū)W生展示電路運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)和結(jié)果.根據(jù)需要靈活地改變電路中的各種參數(shù),使學(xué)生更加形象具體地認(rèn)識參數(shù)對電路運(yùn)行狀態(tài)的影響,進(jìn)而對基本電路分析理論和方法有更深入、直觀的認(rèn)知,同時(shí)鼓勵學(xué)生自行發(fā)揮,重新設(shè)計(jì)電路,使學(xué)生在設(shè)計(jì)中理解電路各個參數(shù)的運(yùn)用和測量方法,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果.
2.2.1 零狀態(tài)響應(yīng)虛擬仿真 對零狀態(tài)響應(yīng),用Multisim 畫出電路(見圖2).可以借助Multisim,觀察u c(t)的瞬態(tài)值(見圖3).也可以用示波器向?qū)W生展示u c(t)的曲線(見圖4),同時(shí)還能在示波器上定位uc(0-)=0 V .
圖2 RC 充電電路(零狀態(tài)響應(yīng))
圖3 u c(t)(零狀態(tài)響應(yīng))的虛擬仿真曲線
圖4 零狀態(tài)響應(yīng)中用示波器展示時(shí)間常數(shù)
2.2.2 零輸入響應(yīng)虛擬仿真 對零輸入響應(yīng),用Multisim 畫出電路(見圖5).可以借助Multisim,觀察u c(t)的瞬態(tài)值(見圖6).也可以用示波器向?qū)W生展示u c(t)的曲線(見圖7),同時(shí)還能在示波器上定位uc(0-)=10 V .
圖5 RC 放電電路(零輸入響應(yīng))
圖6 u c(t)(零輸入響應(yīng))的虛擬仿真曲線
圖7 零輸入響應(yīng)中用示波器展示時(shí)間常數(shù)
2.2.3 全響應(yīng)虛擬仿真 若在電路的運(yùn)行過程中,將開關(guān)不斷在a,b 之間切換,觀察波形.用Multisim 畫出電路(見圖8),用示波器觀察到u c(t)的波形(見圖9).
圖8 全響應(yīng)電路圖
圖9 uc(t)在方波信號激勵下的全響應(yīng)
學(xué)生需要借助示波器觀察RC 電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)、全響應(yīng),電路的激勵為方波信號.需要在示波器中讀出時(shí)間常數(shù)τ的值,并與實(shí)際電路中τ=RC的值比較.
這些知識點(diǎn)的虛擬仿真已經(jīng)演示過,學(xué)生只需要在實(shí)驗(yàn)前自行用軟件操作,加深理解相關(guān)理論,尤其是在時(shí)間軸如何找到時(shí)間常數(shù)τ,以便線下硬件實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行.
借助仿真軟件,通過對電路進(jìn)行仿真,來驗(yàn)證相關(guān)知識點(diǎn)的內(nèi)容,可以在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不需要實(shí)驗(yàn)器材,可以多樣擴(kuò)展,實(shí)驗(yàn)效率也會大幅提高.學(xué)生通過仿真軟件,不需要去實(shí)驗(yàn)室就可以完成理論的檢驗(yàn).
將虛擬仿真軟件Multisim 應(yīng)用于電路分析課程教學(xué),通過虛擬仿真軟件改變電路的參數(shù),形象展示電路的原理和規(guī)律,將電路分析理論和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相結(jié)合,有效提高了學(xué)生對電路理論知識的理解.