陳希有,李冠林,劉蘊紅,董維杰

(大連理工大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)部,遼寧大連 116024)

0 引言

如何提高“電路理論”的課堂教學(xué)效果一直是電路課教師不斷探索的工作。為此在教學(xué)方法和教學(xué)手段上已采取了許多改革措施。例如,采用PPT課件或在課堂上進行實物演示等。但PPT課件存在難以即興進行人機互動的缺點,實物演示又受諸多客觀因素限制,視覺效果很不理想。本文介紹了筆者在課堂教學(xué)中適當(dāng)采用虛擬實驗來提高教學(xué)效果的方法?？梢钥朔PT教學(xué)課件的缺點或?qū)嵨镅菔镜南拗?與板書或課件方法相結(jié)合可以收到更好的課堂教學(xué)效果。

有較多的教學(xué)版虛擬實驗工具可以利用,例如PSpice[1]、Multisim[2,3]和PSIM 等。經(jīng)實際對比,筆者認為,在課堂教學(xué)上使用Multisim略勝一籌。主要是因為它具有友好的操作界面和類似真實的測試儀器,像現(xiàn)場實驗一樣,可以實時改變元件參數(shù)或電路結(jié)構(gòu)。

我們已在多個知識點上探索了基于虛擬實驗的課堂教學(xué)方法。本文在此介紹部分虛擬實驗示例。

1 疊加定理和互易定理

圖1是含電壓源、電流源和受控源的電阻電路。圖中的兩個開關(guān)J3和J4,可用鼠標和鍵盤實現(xiàn)它們的接通或關(guān)斷,以控制兩個獨立電源使其作用或不作用于電路。兩個獨立電源都不作用之外的三種電壓表的讀數(shù)便能輕而易舉地驗證疊加定理,也使學(xué)生知道了獨立電源的“單獨作用”和“不作用”是怎么回事。

圖1 疊加定理虛擬實驗

我們設(shè)計了圖2所示的互易定理虛擬實驗電路。圖2(a)和圖2(b)兩個電路中電壓表的讀數(shù)完全相同。這一實驗可以幫助學(xué)生理解抽象的互易定理。學(xué)生可以仿此對另外兩種形式的互易定理[4,5]設(shè)計相應(yīng)的實驗。

圖2 互易定理虛擬實驗

教學(xué)中,教師可以即興加入受控電源,結(jié)果兩個電壓表的讀數(shù)不再相同。學(xué)生直觀理解了互易定理對含受控源的電路一般不再成立。

2 RLC串聯(lián)交流電路和運放電路

RLC串聯(lián)電路是教學(xué)的重點。我們設(shè)計了圖3所示電路,通過測量各元件電壓有效值和總電壓有效值,對比它們的關(guān)系,并與直流電路情況進行對比,提出問題以啟發(fā)思考。頻率、電阻和電容等參數(shù)都可實時調(diào)節(jié),具有身臨其境感。還可以進行串聯(lián)諧振現(xiàn)象的虛擬實驗。

圖3 RLC串聯(lián)交流電路虛擬實驗

由于在教學(xué)時采用的是簡化的運算放大器符號,所以學(xué)生不理解輸入電流為零而輸出電流為何不是零。為此,設(shè)計了圖 4所示的積分電路。通過演示,學(xué)生明白了運算放大器在使用時還得加上直流電壓源,可以聯(lián)系實際消除疑問。另外,和真實的 Tektronix和Agilent示波器相同的虛擬儀器界面,也讓學(xué)生感到興奮。輸入為正弦電壓時,積分器的輸出電壓存在直流分量,這是課堂教學(xué)時常被忽視的現(xiàn)象,實驗結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生深入思考其中的道理。

圖4 運算放大器積分電路虛擬實驗

3 三相電路中線的作用

在應(yīng)用三相電時,中線的作用很重要,要求學(xué)生必須透徹理解。對圖5所示電路,通過實時閉合或斷開各開關(guān),可以進行對稱、非對稱、有中線和無中線實驗。燈泡亮度隨其電壓大小而變化。當(dāng)超過燈泡額定電壓時,燈泡會因燒毀而熄滅,十分接近實物實驗。

圖5 三相電路中線作用虛擬實驗

4 RL電路的暫態(tài)響應(yīng)

在圖6(a)的RL暫態(tài)電路中,突然切斷RL負載會產(chǎn)生過電壓,這一現(xiàn)象利弊兼有,且工程中常見,教學(xué)時應(yīng)使學(xué)生透徹理解這一現(xiàn)象的規(guī)律。在圖6(a)中,我們不斷扳動開關(guān)J1可以反復(fù)體驗這一現(xiàn)象,RL負載電壓如圖6(b)所示。改變元件參數(shù)值,可以加深理解過電壓的量值與元件參數(shù)的關(guān)系,啟發(fā)尋求解決方法,并立即得到驗證。

圖6 RL電路暫態(tài)響應(yīng)虛擬實驗

5 狀態(tài)軌跡

狀態(tài)軌跡是教學(xué)難點,主要是因為它不易手工描繪,也無動感,借助虛擬實驗可以變難為易。圖7(a)是典型的RLC電路,扳動圖中的開關(guān)J1,可以在示波器上看到狀態(tài)軌跡的演變過程,如圖7(b)所示。其中橫軸是電容電壓,縱軸是電感電流。

圖7 狀態(tài)軌跡虛擬實驗

6 諧振升壓電路

如何用低壓交流電壓源在大電阻上產(chǎn)生高電壓,是一個有工程應(yīng)用價值的問題。圖8所示為不含變壓器的簡單電路。L1和C1在滿足諧振條件時,R1上的電壓有效值達到最大。圖中顯示的電壓U2已升到了5.797kV。借此引導(dǎo)學(xué)生進行原理分析和理論計算。

圖8 諧振交流升壓虛擬實驗

7 仿真線和信號傳輸

我們可利用教材[5]中公式設(shè)計一段仿真線,用以理解傳輸線集中參數(shù)等效電路的概念和駐波的形成規(guī)律。為便于觀察,仿真線的設(shè)計使波腹和波節(jié)恰好出現(xiàn)在節(jié)點處。通過扳動電路右邊的開關(guān)J1,使終端分別處于開路和短路狀態(tài),觀察波腹和波節(jié)的變化。振動強的是波腹,弱的是波節(jié)。由此學(xué)生明白了傳輸線集中參數(shù)等效電路的用途及駐波形成的概念和規(guī)律。

圖9 仿真線及駐波虛擬實驗

信號的無畸變傳輸概念非常重要。實現(xiàn)信號無畸變傳輸?shù)臈l件是,使用無畸變線(例如無耗線)且終端處于匹配狀態(tài)[5,6]。如在上圖無耗仿真線最右側(cè)加一個可變電阻R3就可以進行信號傳輸?shù)奶摂M實驗。改變可變電阻R3,當(dāng)終端處于匹配狀態(tài)時,線路各點電壓波形相同,從始端到終端,相位依次滯后;當(dāng)處于非匹配狀態(tài)時,與始端電壓相比,線上各點電壓發(fā)生畸變,不能正確傳輸信號。通過實驗,學(xué)生可深入理解畸變的涵義和實現(xiàn)無畸變傳輸?shù)臈l件。

8 結(jié)語

精心設(shè)計的虛擬實驗引入課堂教學(xué)可以充分發(fā)揮教師的教學(xué)想象力,利于激發(fā)學(xué)生主動思維,增強課堂教學(xué)效果。為此教師要創(chuàng)新教學(xué)思路并樂于為此付出更多努力。我們設(shè)計的這些虛擬實驗正以資源庫的形式不斷豐富和完善。

[1] 穆秀春,華春梅,呂中志.PSpice電子仿真及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2010

[2] 張新喜,許軍,王新忠.M ultisim 10電路仿真及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010

[3] 唐贛,吳翔,蘇建峰.Multisim 10&Ultiboard10原理圖仿真與PCB設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008

[4] 陳洪亮,張峰,田舍平.《電路基礎(chǔ)》[M].北京:高等教育出版社,2007

[5] 陳希有,孫立山,柴鳳.《電路理論基礎(chǔ)》(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2004年

[6] 俞大光.《電工基礎(chǔ)》(修訂本,中冊)[M].北京:人民教育出版社,1965