摘要：“電工技術(shù)基礎(chǔ)”課程抽象概念比較多，學(xué)生難以理解，傳統(tǒng)的實(shí)驗又具有一定的風(fēng)險性，從而導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生沒法利用理論知識來解決實(shí)際問題。針對該問題，文章以基爾霍夫電流定律、疊加定理和RL串聯(lián)電路為例，提出適當(dāng)引入Multisim虛擬仿真軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，探索多樣化的教學(xué)等方法。實(shí)踐表明：所提教學(xué)方法能夠有效促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，全面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，提升了“電工技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：“電工技術(shù)基礎(chǔ)”；Multisim；虛擬仿真實(shí)驗

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

“電工技術(shù)基礎(chǔ)”課程是職業(yè)學(xué)校電氣自動化技術(shù)專業(yè)一門必修的基礎(chǔ)課程，該課程內(nèi)容涵蓋的理論知識較為豐富且難度較大，學(xué)生在掌握相關(guān)知識時常常面臨挑戰(zhàn)。在純理論教學(xué)的基礎(chǔ)上引入實(shí)踐環(huán)節(jié)，是本課程教學(xué)改革的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)的電工實(shí)驗存在設(shè)備不足、實(shí)驗環(huán)境受限以及師資配比不足等問題，使得教學(xué)實(shí)踐活動難以正常開展^［1-2］。針對上述問題，本文適當(dāng)引入Multisim虛擬仿真軟件作為輔助教學(xué)工具，根據(jù)不同的教學(xué)案例，將虛擬仿真實(shí)驗貫穿于各個教學(xué)環(huán)節(jié)，以積極探索理論與虛擬仿真實(shí)驗相結(jié)合的創(chuàng)新教學(xué)模式。

1 Multisim應(yīng)用到“電工技術(shù)基礎(chǔ)”課程中的優(yōu)越性

由于學(xué)生具備初中物理知識，相對容易理解“電工技術(shù)基礎(chǔ)”課程中的基本概念，如歐姆定律。然而，歐姆定律無法解決復(fù)雜的直流電路問題。這就需要運(yùn)用基爾霍夫定律、疊加定理等更為復(fù)雜的理論，而這些內(nèi)容往往令學(xué)生感到困惑。交流電路中的方向性問題是“電工技術(shù)基礎(chǔ)”課程的一大難點(diǎn)，學(xué)生常常用直流電路的思路來分析交流電路。僅依靠理論講解，學(xué)生難以全面掌握這些難點(diǎn)^［3］。在電工技術(shù)電路的仿真應(yīng)用方面，Multisim 展現(xiàn)出無可比擬的便捷性和優(yōu)越性^［4］。

1.1 以學(xué)生為中心的課程教學(xué)

將 Multisim仿真軟件引入電路仿真實(shí)踐教學(xué)，打破了以教師為中心的教學(xué)模式^［5］。由于學(xué)生前幾次實(shí)驗課中對Multisim仿真軟件尚不熟悉，教師需要集中演示如何運(yùn)用該軟件搭建電路模型，以便讓學(xué)生通過仿真實(shí)驗驗證理論知識。同時，引導(dǎo)學(xué)生針對不理解的知識設(shè)計虛擬仿真實(shí)驗進(jìn)行驗證，組織小組討論。在學(xué)生掌握了Multisim仿真軟件的使用方法后，教師可在課程開始前通過學(xué)習(xí)通平臺上傳預(yù)習(xí)資料并發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，如短視頻、實(shí)驗手冊等相關(guān)材料。此時，學(xué)生不僅能夠利用仿真軟件驗證理論知識，還可以提前預(yù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，提出猜想并展開討論^［6］。合理的教學(xué)設(shè)計使得仿真軟件的應(yīng)用貫穿于整個教學(xué)過程，有效激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性。

1.2 理論知識與實(shí)踐相結(jié)合

在“電工技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)過程中，如果教師僅講授理論知識，那么學(xué)生往往難以深入理解相關(guān)內(nèi)容。因此，在課堂教學(xué)中引入實(shí)驗環(huán)節(jié)，以增強(qiáng)學(xué)生對理論知識的掌握程度^［7］。然而，若采用實(shí)際操作實(shí)驗，則須考慮師資配置問題。例如：在四五十人的班級規(guī)模下，至少需要2名教師同時指導(dǎo)，否則可能會因監(jiān)管不力而引發(fā)觸電等安全隱患^［8］?；诖?，為滿足不同課程設(shè)計的需求，可適當(dāng)引入Multisim仿真實(shí)驗環(huán)節(jié)，使學(xué)生在實(shí)踐過程中進(jìn)一步深化對理論知識的理解，提高應(yīng)用能力。

1.3 仿真與實(shí)物操作相結(jié)合

在“電工技術(shù)基礎(chǔ)”后續(xù)課程中，將安排電工工藝、中高級維修電工等實(shí)操課程，鑒于學(xué)生缺乏實(shí)踐經(jīng)驗，直接進(jìn)行實(shí)際操作可能會導(dǎo)致無從下手的情況，甚至存在一定的安全隱患。因此，在理論課程中引入仿真實(shí)驗環(huán)節(jié)，能夠有效幫助學(xué)生熟悉操作流程，減少實(shí)操中的錯誤率，從而提升實(shí)驗效率并降低教學(xué)成本。

2 Multisim在“電工技術(shù)基礎(chǔ)”課程中的應(yīng)用實(shí)例

2.1 基爾霍夫電流定律

2.1.1 學(xué)生存在的難點(diǎn)

（1）學(xué)生對電流流入或流出結(jié)點(diǎn)的概念理解不夠清晰，容易混淆參考方向的正負(fù)判定；（2）作為“電工技術(shù)基礎(chǔ)”課程中的首個虛擬仿真實(shí)驗，學(xué)生尚未熟練掌握Multisim軟件的操作方法。

2.1.2 基爾霍夫電流定律教學(xué)設(shè)計

本次虛擬仿真實(shí)驗作為“電工技術(shù)基礎(chǔ)”首個實(shí)驗，學(xué)生需要通過該實(shí)驗掌握利用Multisim 軟件平臺搭建電路模型的基本步驟。因此，本設(shè)計將課程理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗進(jìn)行了分離。教師先以課堂教學(xué)形式傳授基爾霍夫電流定律的原理，再統(tǒng)一引導(dǎo)學(xué)生到機(jī)房學(xué)習(xí)如何使用Multisim 軟件平臺搭建電路模型。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，依照基爾霍夫電流定律搭建電路，如圖1所示，將實(shí)驗中測的電流數(shù)據(jù)填入表1。

將I2的參考方向改變，如圖2所示，將測得的電流數(shù)據(jù)填入表1。

2.1.3 實(shí)驗結(jié)論

對于a節(jié)點(diǎn)，通過2個實(shí)驗進(jìn)行測試：在實(shí)驗1中，設(shè)置I1、I2的電流為流入，而I3為流出，遵循基爾霍夫電流定律，I1+I2-I3=5.066+1.99-7.058≈0；而實(shí)驗2中，設(shè)置I1為流入電流，I2和I3為流出電流，根據(jù)同樣的定律，I1-I2-I3=5.066-（-1.99）-7.058≈0。

通過這些實(shí)驗發(fā)現(xiàn)：在列基爾霍夫電流方程時，學(xué)生只須關(guān)注電流的參考方向，而不需要考慮實(shí)際測量的電流正負(fù)。這表明在實(shí)驗過程中，參考方向的選擇并不影響最終的計算結(jié)果。因此，這加深了學(xué)生對參考方向選擇的理解。

2.2 疊加定理

2.2.1 學(xué)生存在的難點(diǎn)

（1）部分學(xué)生在繪制各電源單獨(dú)作用時的分電路圖時存在困難，甚至有些學(xué)生認(rèn)為步驟較為煩瑣，因此不愿動手作圖；（2）在求出分電路的電流后，進(jìn)行疊加時容易出現(xiàn)方向錯誤；（3）學(xué)生對疊加定理僅適用于求解電壓和電流，而不能用于功率計算的原因理解尚不透徹。

2.2.2 疊加定理教學(xué)設(shè)計

學(xué)生根據(jù)疊加定理，依據(jù)實(shí)驗手冊中的電路圖分別搭建在電源共同作用下和單獨(dú)作用下的模型，如圖3所示。按照實(shí)驗手冊的要求設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，逐一測量各支路電流，填寫表2，以分析這些電流是否符合疊加定理。

在本實(shí)驗中，通過電流表極性的擺放位置，固定了I1 、I2、I3的方向，其中I1為流入，I2和I3均為流出結(jié)點(diǎn)a。在此基礎(chǔ)上，教師設(shè)計了拓展環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生通過調(diào)整電流表極性的位置，從而改變I1 、I2、I3對結(jié)點(diǎn)a的流入與流出方向。學(xué)生在這一過程中能夠輕松掌握疊加下方向問題的處理方法，有效化解本課中的難點(diǎn)。

2.2.3 實(shí)驗結(jié)論

通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)：（1）I 1 = I1′ +I 1″ ；I 2 = I2′+ I2″ ；I 3 = I 3′ + I 3″。測量得到的3組數(shù)據(jù)與上述規(guī)律符合，驗證了疊加定理。（2）在拓展訓(xùn)練中，引導(dǎo)學(xué)生探討電流疊加時方向的問題，當(dāng)分電路中的電流方向與參考方向一致時，記為正值，反之，則記為負(fù)值。

2.3 RL串聯(lián)電路

2.3.1 學(xué)生存在的難點(diǎn)

學(xué)生在理解總電壓與電阻、電感的電壓之間的關(guān)系時，常常面臨困難。在處理交流電路時，他們?nèi)菀滓灾绷麟娐返乃季S進(jìn)行分析，從而忽視了相位問題。

2.3.2 RL串聯(lián)電路教學(xué)設(shè)計

課前，學(xué)生根據(jù)RL串聯(lián)電路仿真實(shí)驗手冊上的電路圖搭建模型，如圖4所示。按照實(shí)驗手冊設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，分別測量總電壓、電阻及電感上的電壓，填寫表3，隨后，嘗試分析這三者之間的關(guān)系，在學(xué)習(xí)通平臺上進(jìn)行分組交流與討論。

課堂中，教師展示學(xué)生預(yù)習(xí)成果，引導(dǎo)學(xué)生思考總電壓與電阻及電感上的電壓之間的關(guān)系。教師通過矢量圖的方法分析三者之間的電壓關(guān)系，然后利用仿真結(jié)果進(jìn)行驗證，以加深學(xué)生對理論知識的理解。

2.3.3 仿真實(shí)驗結(jié)果

（1）電壓大小關(guān)系：U=U²_R+U²_L；

（2）電壓和電流的相位關(guān)系：總電壓和電流的波形如圖5所示。在RL串聯(lián)電路中，電壓超前電流，表明電路具有感性特征。

3 結(jié)語

通過 Multisim 仿真軟件進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生能夠有針對性地自主設(shè)計仿真實(shí)驗，在小組討論中積極參與，這大大激發(fā)了學(xué)生對“電工技術(shù)基礎(chǔ)”課程的學(xué)習(xí)興趣。同時，在教學(xué)過程中，引入Multisim 仿真環(huán)節(jié)，不僅調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還活躍了課堂氛圍，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。根據(jù)不同課程需求，將虛擬仿真實(shí)驗應(yīng)用于課前、課中、課后等各個環(huán)節(jié)，不僅有效節(jié)省了課堂時間，也為學(xué)生提供了預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)理論知識的良好機(jī)會。

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（編輯 王永超）

Case study on the application of “Fundamentals of Electrical Technology” course based on virtual simulation

CHEN Ling

（Wuxi Mechanical and Electrical Vocational and Technical College， Wuxi 214000， Cnina）

Abstract：There are many abstract concepts in the course of “Fundamentals of Electrical Technology”， which are difficult for students to understand. Traditional experiments also have certain risks，this leads to a disconnect between theory and practice， and students are unable to use theoretical knowledge to solve practical problems. In response to this issue， this article takes Kirchhoff’s current law， superposition theorem， and RL series circuit as examples to propose the appropriate introduction of Multisim virtual simulation software for auxiliary teaching and explore diversified teaching methods. Practice has shown that the proposed teaching method can effectively promote students’ self-directed learning， comprehensively stimulate their interest in learning， cultivate their innovative practical abilities， and improve the teaching quality of “Fundamentals of Electrical Technology” courses.

Key words：“Fundamentals of Electrical Technology”; Multisim; virtual simulation experiment