李建軍 黎運(yùn)宇

摘要：針對(duì)地方高校選修電工技術(shù)及實(shí)驗(yàn)的相關(guān)專業(yè)學(xué)生的現(xiàn)狀，即基礎(chǔ)差，動(dòng)手能力弱和缺乏創(chuàng)新意識(shí)，將Multisim仿真到電工實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行必要的原理性仿真，有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和為實(shí)驗(yàn)室實(shí)物操作提供必要的基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)前的仿真使學(xué)生養(yǎng)成設(shè)計(jì)初期必須進(jìn)行仿真驗(yàn)證的習(xí)慣，即進(jìn)行前仿真的“工作習(xí)慣”。同時(shí)，教師在學(xué)生仿真過(guò)程中通過(guò)有意識(shí)的提問(wèn)和提示，鼓勵(lì)學(xué)生在電路原理和設(shè)計(jì)思路方面進(jìn)行改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生初步的創(chuàng)新意識(shí)。

關(guān)鍵詞：電工技術(shù)；仿真；Multisim；實(shí)驗(yàn)總結(jié)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）31-0079-03

電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校部分電類與非電類專業(yè)都要學(xué)習(xí)的一門重要的基礎(chǔ)課程，相對(duì)于電子相關(guān)專業(yè)課程而言，其內(nèi)容包括了《電路分析》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《電力電子》、《電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》等多門專業(yè)課程的知識(shí)。課程涉及內(nèi)容廣，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，只有注重理論與實(shí)踐的相互融合才能有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，同時(shí)也可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)方案、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、修改設(shè)計(jì)等過(guò)程不僅可以加深對(duì)理論知識(shí)的理解而且還可以提高對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。

傳統(tǒng)的電工實(shí)驗(yàn)課程的一般流程為：實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備→理論原理講解→實(shí)驗(yàn)原理說(shuō)明→實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)→實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)計(jì)→教師操作驗(yàn)證→學(xué)生實(shí)驗(yàn)。在這樣的模式下，教師幾乎完成了所有工作，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生基本不參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，其沒(méi)有獨(dú)立思考的過(guò)程，對(duì)于驗(yàn)結(jié)果的差異也基本不考慮，因此這樣的電工實(shí)驗(yàn)課程不利于學(xué)生思維的拓展和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

當(dāng)前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件仿真已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，幾乎所有的電子電路系統(tǒng)在設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中都要經(jīng)歷初始階段的電子仿真過(guò)程，而仿真一般分為兩個(gè)過(guò)程，即前仿真（原理仿真）和后仿真（模擬電路為電磁仿真、數(shù)字電路為時(shí)序仿真）。只有在仿真通過(guò)的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行樣機(jī)系統(tǒng)的試制。根據(jù)高校教學(xué)學(xué)活動(dòng)的特點(diǎn)與重點(diǎn)，這里主要針對(duì)前仿真任務(wù)階段。

模仿電子電路設(shè)計(jì)研發(fā)的過(guò)程可以將電工實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容作為一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單的電子電路系統(tǒng)進(jìn)行處理，在這種思想的基礎(chǔ)上電工實(shí)驗(yàn)課程的模式就可以變?yōu)椋豪碚撛碇v解→實(shí)驗(yàn)原理（方案）設(shè)計(jì)→實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)計(jì)→仿真驗(yàn)證→實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備→學(xué)生實(shí)驗(yàn)→教師點(diǎn)評(píng)。在這種加入仿真驗(yàn)證的模式下教師只負(fù)責(zé)理論原理的講解、實(shí)驗(yàn)方案的可行性和實(shí)驗(yàn)后的點(diǎn)評(píng)，甚至學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)結(jié)果與仿真結(jié)果的差異獨(dú)自對(duì)實(shí)驗(yàn)方案做出合理的修改，這時(shí)教師只負(fù)責(zé)理論原理的講解和實(shí)驗(yàn)后的點(diǎn)評(píng)。這樣在充分利用EDA技術(shù)的基礎(chǔ)上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)獨(dú)立性和對(duì)知識(shí)的理解水平。

一、Multisim軟件的優(yōu)勢(shì)

雖然實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不可避免地會(huì)將實(shí)驗(yàn)耗材和實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞，比如：電阻、電容、晶體管、邏輯器件、示波器、信號(hào)源等，但如果學(xué)生能在實(shí)驗(yàn)前認(rèn)真思考實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程則這種損壞的概率將大大降低。通過(guò)Multisim仿真便可以使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行必要思考并且對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程也會(huì)有初步的規(guī)劃。Multisim仿真軟件為電子電路仿真提供了豐富的元件數(shù)據(jù)庫(kù)，也提供了種類多樣且標(biāo)準(zhǔn)化的仿真儀器，包括萬(wàn)用表、示波器、邏輯分析儀、失真度分析儀、波特圖測(cè)試儀等[1，2]。

二、Multisim軟件仿真教學(xué)

教學(xué)過(guò)程包括理論原理、軟件仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)[3]。其中理論原理是指課堂上講解的概念等原理性的內(nèi)容；軟件仿真是指在Multisim環(huán)境下依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理學(xué)生自行設(shè)計(jì)搭建的虛擬電路模型及其結(jié)果；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是指根據(jù)仿真結(jié)果學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中搭建實(shí)物電路及結(jié)果驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)后的教師點(diǎn)評(píng)。由于實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)電路由學(xué)生自行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，因此會(huì)出現(xiàn)各種各樣不同形式的電路設(shè)計(jì)方案，甚至可能會(huì)出現(xiàn)教師都沒(méi)有考慮到的方案。這種模式的好處在于檢驗(yàn)學(xué)生理論的理解程度、鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)電路的思維的養(yǎng)成、激發(fā)學(xué)生的想象力與創(chuàng)造力、提高教師業(yè)務(wù)水平。

三、基于Multisim的電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)的仿真

（一）基本放大電路實(shí)驗(yàn)

1.學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題：（1）對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)作用的理解不夠深刻，普遍認(rèn)為靜態(tài)工作點(diǎn)必須大于0；（2）對(duì)放大電路的本質(zhì)沒(méi)有掌握，不考慮在能量守恒定理的前提下功率如何放大；（3）不清楚電壓放大與電流放大的適用場(chǎng)合。

2.實(shí)驗(yàn)前問(wèn)題：（1）有靜態(tài)工作點(diǎn)的電路效率如何？（2）為什么不是“能量放大”而是“功率放大”？

3.基本放大電路的Multisim電路仿真及結(jié)果。根據(jù)課本上的基本電路學(xué)生完成電路搭建，很多學(xué)生都改變了電路參數(shù)，并依據(jù)相關(guān)原理對(duì)電路進(jìn)行理論計(jì)算和軟件仿真，甚至有少數(shù)學(xué)生會(huì)改變電路結(jié)來(lái)驗(yàn)證自己的想法。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論。通過(guò)仿真驗(yàn)證學(xué)生總結(jié)出：（1）靜態(tài)工作點(diǎn)即直流放大，其作用是消除PN節(jié)單向?qū)ê凸?jié)電壓效應(yīng)對(duì)交流信號(hào)產(chǎn)生的失真；（2）靜態(tài)工作點(diǎn)未必大于零（當(dāng)放大信號(hào)本身能克服PN節(jié)內(nèi)建電場(chǎng)），靜態(tài)工作點(diǎn)不為零時(shí)電路中產(chǎn)生無(wú)用功即能量效率較低；（3）功率放大電路必須有額外的能量輸入才能實(shí)現(xiàn)放大，本質(zhì)上為比例控制電路；（4）電壓是電路正常工作的必要條件，電路驅(qū)動(dòng)需要考慮電流因素。

（二）RC振蕩電路的實(shí)驗(yàn)

振蕩電路是一種不需要外接輸入信號(hào)就能將直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流能量輸出電路。按照輸出波形分為正弦振蕩和非正弦振蕩，而RC振蕩電路又是正弦振蕩電路中最基本的一種。

1.學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題。（1）實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)原理之間的關(guān)系認(rèn)識(shí)不清晰；（2）電路器件不熟悉，電路連線錯(cuò)誤，部分學(xué)生根本不懂如何連接電路；（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題過(guò)度依賴?yán)蠋?；?）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性無(wú)法判斷。

2.實(shí)驗(yàn)前問(wèn)題。（1）振蕩電路起振的條件是什么？（2）起振后振蕩波形是否理想？

3.RC振蕩電路的Multisim電路仿真及結(jié)果。根據(jù)課本上的基本電路學(xué)生完成電路搭建，很多學(xué)生都改變了電路參數(shù)，并且依據(jù)相關(guān)原理對(duì)電路進(jìn)行理論計(jì)算和軟件仿真，甚至少數(shù)學(xué)生改變電路結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證自己的想法。圖1是學(xué)生改變電路參數(shù)后RC正弦振蕩電路原理圖；圖2是RC振蕩電路的起振過(guò)程。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論。通過(guò)仿真驗(yàn)證學(xué)生總結(jié)出：（1）當(dāng)反饋電阻R4：R3>2時(shí)，起振迅速但波形失真不穩(wěn)定；（2）當(dāng)反饋電阻R4：R3≈2時(shí)，起振較慢，波形較好但非理想的正弦；當(dāng)反饋電阻R4：R3<2時(shí)，不能起振[4]。

圖3、圖4分別為結(jié)構(gòu)改變后的原理圖與波形圖。

通過(guò)電路結(jié)構(gòu)的改變學(xué)生總結(jié)出：（1）正反饋是電路起振并保持穩(wěn)定的必要條件；（2）只有正反饋存在的條件下電路能夠起振快幾乎看不到起振過(guò)程，且飽和輸出；（3）只有正反饋存在下的情況下振蕩頻率不穩(wěn)定。

（三）差動(dòng)放大電路的Multisim電路仿真及結(jié)果

1.學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題。（1）差動(dòng)放大電路輸出的條件理解不清；（2）差模輸入與共模輸入的意義理解不深；（3）共模驗(yàn)證與差模驗(yàn)證是分別驗(yàn)證，不夠直觀。

2.實(shí)驗(yàn)前問(wèn)題。討論：能否在差動(dòng)放大實(shí)現(xiàn)同時(shí)驗(yàn)證差模輸入和共模輸入。

3.電路的Multisim電路仿真及結(jié)果。在老師給出提示考慮穩(wěn)壓管的情況下，學(xué)生設(shè)計(jì)出電路一，如圖5所示。通過(guò)示波器可以看到在輸入電壓小于2.5v是放大電路兩端輸入相同即只有共模輸入，當(dāng)電壓大于2.5v后，由于穩(wěn)壓電路的存在，放大電路兩端電壓出現(xiàn)差異即差模與共模同時(shí)存在。

從示波器看暫時(shí)滿足了對(duì)信源的要求，但此時(shí)兩路信號(hào)缺少公共的參考地，因此不能達(dá)到預(yù)想的效果。問(wèn)題的關(guān)鍵就變?yōu)槿绾螌⑿盘?hào)共地，通過(guò)查資料，有同學(xué)提出電路二，如圖6所示。

電路二是基于惠斯通電橋的原理，理論上是可以解決問(wèn)題，但在實(shí)際電路中發(fā)現(xiàn)效果并不理想，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)原因出在電橋的平衡問(wèn)題，于是又將電路修改為電路三（如圖7）。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論。通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)生對(duì)于電橋電路、穩(wěn)壓電路和差模、共模的理解更加深刻，差模輸入、共模輸入的意義在于簡(jiǎn)化電路分析的工作量，本質(zhì)上差模輸入、共模輸入均被放大[5]，由于電路中電壓是相對(duì)存在的，結(jié)合高中電勢(shì)的概念，學(xué)生對(duì)于電壓量的輸出有了新的認(rèn)識(shí)。同時(shí)通過(guò)輸出端的測(cè)量，理解差動(dòng)放大電路單邊分析的理論依據(jù)。

四、總結(jié)

電工技術(shù)是一門電類和非電類專業(yè)都要學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程，通過(guò)對(duì)利用Multisim軟件對(duì)電工實(shí)驗(yàn)的改革嘗試，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于沒(méi)有改革的學(xué)生來(lái)看有很大程度的提高，主要體現(xiàn)在三方面：一是從學(xué)生上課的積極性和課堂討論的參與程度上看，大多數(shù)的學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作都很充足，討論問(wèn)題都積極發(fā)言，課堂氣氛活躍；二是從學(xué)生對(duì)老師的評(píng)教結(jié)果看，改革的班級(jí)學(xué)生對(duì)教師的評(píng)價(jià)普遍高于未改革的班級(jí)；三是教師也明顯地感到改革班的課程任務(wù)相對(duì)輕松。

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