景遠(yuǎn)

（東北大學(xué)秦皇島分校 河北省秦皇島市 066004）

1 引言

電工電子實(shí)驗(yàn)是高校面向自動(dòng)化類、電子信息類、計(jì)算機(jī)類等專業(yè)的本科生開設(shè)的必修實(shí)驗(yàn)課程，多為《電路原理》、《電子技術(shù)基礎(chǔ)》和《電工學(xué)》等課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)有重要的輔助作用，并且可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。電工電子實(shí)驗(yàn)課程作為專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，本著實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能實(shí)不虛的原則，絕大多數(shù)教學(xué)工作都在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室中開展，很少利用仿真軟件。

近年來，隨著國家政策的鼓勵(lì)和支持，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目受到越來越多的重視。教育部在2018 年發(fā)布的教高函<2018>5 號(hào)文件《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》中明確指出，“將實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量，以高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)助推高等教育教學(xué)質(zhì)量變軌超車，助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)”。2020年開始，高校的教學(xué)工作有時(shí)必須在線上進(jìn)行，這成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的極大難題和挑戰(zhàn)。為保證教學(xué)質(zhì)量，仿真軟件越來越多的被應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。本文選擇了近兩年應(yīng)用十分廣泛的Multisim 仿真軟件和科大奧銳仿真平臺(tái)，以電路實(shí)驗(yàn)中的RC 一階電路的響應(yīng)測(cè)試為例，深入討論了仿真軟件在高校電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

2 仿真軟件介紹

2.1 Multisim14.0仿真軟件

Multisim14.0 是美國國家儀器NI 有限公司推出的一個(gè)以Windows 系統(tǒng)為基礎(chǔ)的仿真工具。該軟件可以設(shè)計(jì)并搭建復(fù)雜的電工電子電路，仿真環(huán)境直觀，操做方便，界面簡(jiǎn)單明了，元件庫包含大量常用的電源、儀表、數(shù)學(xué)模型元件和能發(fā)亮發(fā)聲的元器件等，允許多個(gè)儀表同時(shí)調(diào)用和重復(fù)調(diào)用，且儀表均具有存儲(chǔ)功能，完全能夠滿足電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，目前在高校電子實(shí)驗(yàn)室得到了普遍使用。

Multisim14.0 軟件可以對(duì)復(fù)雜電路進(jìn)行仿真，操作易上手，學(xué)生通過自學(xué)即可單獨(dú)完成電路的搭建和仿真分析，對(duì)于分析復(fù)雜電路有很大的幫助。使用該軟件僅需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)，做實(shí)驗(yàn)不受空間時(shí)間的限制，學(xué)生可以利用該軟件隨時(shí)隨地分析并設(shè)計(jì)電路。對(duì)于電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)來說，引導(dǎo)學(xué)生使用Multisim 仿真軟件不僅可以完成正常教學(xué)任務(wù)，還可以讓學(xué)有余力的學(xué)生自主設(shè)計(jì)一些多學(xué)科融合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或在實(shí)驗(yàn)室難以開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力有極大的促進(jìn)作用。

2.2 科大奧銳仿真平臺(tái)

科大奧銳仿真平臺(tái)是科大奧銳公司推出的專門針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的仿真軟件，目前包括大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和電學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。電學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括電路、數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)等多門課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，元器件形象逼真，能夠基本還原在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景。使用該仿真軟件需要在電腦安裝虛擬仿真環(huán)境，使用個(gè)人賬號(hào)登錄特定網(wǎng)址后可體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程。

由于該仿真平臺(tái)是專門針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的，所以還包括有許多實(shí)用的教學(xué)環(huán)節(jié)，例如實(shí)驗(yàn)在線演示、實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳及自動(dòng)批閱、實(shí)驗(yàn)成績自動(dòng)生成等?？拼髪W銳仿真平臺(tái)可以支持幾百名學(xué)生同時(shí)在線，操作界面清晰直觀，非常適用于高校電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)，目前多所高校都在使用。

3 教學(xué)實(shí)例

3.1 RC一階電路響應(yīng)測(cè)試介紹

RC 一階電路的響應(yīng)測(cè)試是電路實(shí)驗(yàn)課程的必修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)中會(huì)使用到信號(hào)源、示波器、若干電容電阻等元件，很適合用虛擬仿真軟件觀察其波形變化。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容是連接由不同電容、電阻值組成的一階電路，使用示波器觀察零輸入、零狀態(tài)響應(yīng)的波形變化過程。其中電路激勵(lì)是由信號(hào)發(fā)生器提供的方波信號(hào)，其頻率為1kHz，峰峰值V=2V，前半周期電壓值為2V，后半周期電壓值為0V。電路激勵(lì)信號(hào)如圖1 所示。

圖1：電路激勵(lì)方波信號(hào)

在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生連接四個(gè)電路，其中前兩個(gè)為正常狀態(tài)下的零輸入和零狀態(tài)響應(yīng)過程，通過這兩個(gè)電路學(xué)生能夠觀察到當(dāng)電路參數(shù)發(fā)生改變導(dǎo)致時(shí)間常數(shù)變化時(shí)，對(duì)零輸入、零狀態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生的具體影響。后兩個(gè)電路圖分別為積分電路和微分電路，是當(dāng)時(shí)間常數(shù)極大或極小時(shí)的響應(yīng)過程。在這兩種極端情況下，電容充電和放電的過程會(huì)相應(yīng)的變得極慢或極快，零輸入和零狀態(tài)響應(yīng)的波形也會(huì)發(fā)生比較大的變化，學(xué)生通過示波器可以清晰明了地觀察到波形圖的變化過程。實(shí)驗(yàn)中的四個(gè)電路參數(shù)如下：

a. 激勵(lì)為頻率1kHz、峰峰值V=2V 的方波信號(hào)，電阻R=600Ω，電容C=0.1μF；

b. 激勵(lì)為頻率1kHz、峰峰值V=2V 的方波信號(hào)，電阻R=1000Ω，電容C=0.1μF；

c. 激勵(lì)為頻率1kHz、峰峰值V=2V 的方波信號(hào)，電阻R=10kΩ，電容C=0.1μF；

d. 激勵(lì)為頻率1kHz、峰峰值V=2V 的方波信號(hào)，電阻R=100Ω，電容C=0.1μF。

其中前三個(gè)電路a、b、c 要求用示波器觀察電容電壓的變化過程，電路圖如圖2 所示；最后一個(gè)電路d 為微分電路，要求用示波器觀察電阻電壓的變化過程，電路圖如圖3 所示。

圖2：a、b、c 電路圖

圖3：d 電路圖

a、b 電路為正常狀態(tài)下的一階電路全響應(yīng)過程。通過分析容易得知，前半周期當(dāng)方波信號(hào)電壓為2V 時(shí)，電容處于充電過程，稱為零狀態(tài)響應(yīng)，后半周期當(dāng)方波信號(hào)電壓為0V 時(shí)，電容處于放電過程，稱為零輸入響應(yīng)。零狀態(tài)響應(yīng)電容電壓U和電源電壓U滿足公式：

a、b 電路的激勵(lì)和響應(yīng)波形曲線唯一的不同是時(shí)間常數(shù)不同所導(dǎo)致的電容充電和放電時(shí)間不同，零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)曲線的上升和下降快慢不同。a、b 電路的響應(yīng)曲線形狀大致相同，其激勵(lì)和響應(yīng)曲線均如圖4 所示。c 積分電路的響應(yīng)曲線如圖5 所示，d 微分電路的響應(yīng)曲線如圖6 所示。

圖4：a、b 電路響應(yīng)曲線

圖5：c（積分電路）響應(yīng)曲線

圖6：d（微分電路）響應(yīng)曲線

3.2 使用Multisim14.0仿真

學(xué)生使用Multisim14.0 仿真軟件時(shí)，需要在軟件運(yùn)行窗口自行尋找實(shí)驗(yàn)所需元器件，按圖2、圖3 所示電路連接。通過觀察不難發(fā)現(xiàn)，a、b、c、d 四個(gè)電路圖電源激勵(lì)均沒有差異，只有電阻值不同，所以本文僅以a 電路為例，完成電路的搭建和仿真。

使用Multisim14.0 軟件工作區(qū)搭建RC 一階電路圖時(shí)，在操作窗口選擇可提供正弦波、三角波、方波3 種不同波形信號(hào)的電壓信號(hào)源，調(diào)節(jié)其輸出為頻率1kHz、峰峰值2V 的方波信號(hào)，再選擇示波器、電容及電阻，連接成完整回路。運(yùn)行之后可在示波器上觀察到如圖7 所示波形圖。

圖7：Multisim 軟件仿真響應(yīng)曲線波形圖

通過觀察圖7 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖4的理論結(jié)果接近，前半周期是電容充電過程，后半周期電容放電。學(xué)生得到此實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，可以自行分析波形的走勢(shì)，并與理論結(jié)果相結(jié)合，加深對(duì)RC 一階電路響應(yīng)過程的理解。

目前筆者已在電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展線上RC 一階電路響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，以便于總結(jié)Multisim14.0 教學(xué)實(shí)際效果。以自動(dòng)化專業(yè)2020 級(jí)的一個(gè)班級(jí)為例，該班級(jí)共有34 名學(xué)生，因沒有電腦無法完成線上教學(xué)1人，其余33名學(xué)生同時(shí)完成了線上和線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)。從問卷調(diào)查結(jié)果來看，有25 名同學(xué)認(rèn)為使用Multisim14.0仿真軟件完成RC 一階電路實(shí)驗(yàn)沒有問題，占比75.8%。有7 名同學(xué)認(rèn)為虛擬儀器尤其是示波器標(biāo)識(shí)不清楚，不容易調(diào)節(jié)，做完實(shí)驗(yàn)感覺沒有完全明白。在問到更偏向線上還是線下實(shí)驗(yàn)時(shí)，超過50%的同學(xué)選擇線下做實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為線下實(shí)驗(yàn)使用儀器更直觀，更易操作。以上數(shù)據(jù)顯示，學(xué)生直接使用Multisim14.0 仿真軟件完成線上實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于需要花費(fèi)時(shí)間掌握元件庫的使用方法并自選實(shí)驗(yàn)器材，對(duì)部分學(xué)生來說有一定困難。若使用Multisim 仿真軟件完成線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師先對(duì)學(xué)生進(jìn)行軟件使用的統(tǒng)一培訓(xùn)效果會(huì)更好。同時(shí)Multisim 軟件具備十分全面的元件庫，適合電工電子實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展教學(xué)，待熟練掌握軟件使用方法之后，可以鼓勵(lì)學(xué)生自行編輯實(shí)驗(yàn)以加深對(duì)理論課程的理解，并提高自身創(chuàng)新能力。

3.3 使用科大奧銳電學(xué)平臺(tái)仿真

學(xué)生使用科大奧銳電學(xué)平臺(tái)做實(shí)驗(yàn)，需要由教師提前編輯好實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選取實(shí)驗(yàn)儀器并發(fā)布在仿真平臺(tái)。學(xué)生下載安裝虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作。

科大奧銳仿真平臺(tái)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境接近，所有儀表及元件都與真實(shí)元件類似，學(xué)生通過該平臺(tái)做實(shí)驗(yàn)也可以了解實(shí)際儀器及相關(guān)元件的外觀。不同于Multisim 仿真軟件，學(xué)生使用科大奧銳仿真平臺(tái)不能自由地在元件庫自選元件，而只能用教師提供的電子元件完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)通過拖拽儀器和簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)點(diǎn)擊連接電路。電路連接完成之后將儀器開關(guān)打開即可在示波器觀察到響應(yīng)波形。如果電路連接無誤，學(xué)生將會(huì)在示波器觀察到類似圖4 的波形圖。

在使用科大奧銳仿真平臺(tái)進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，同樣選擇自動(dòng)化專業(yè)的相同的一個(gè)班級(jí)，除了1 名同學(xué)因?yàn)闆]有電腦無法完成線上實(shí)驗(yàn)外，其余33 名學(xué)生均使用科大奧銳電學(xué)平臺(tái)完成了RC 一階電路響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。其中31 名學(xué)生認(rèn)為可以達(dá)到線下實(shí)驗(yàn)的效果，使用該仿真平臺(tái)完成線上實(shí)驗(yàn)后，能夠完全理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，2 名學(xué)生認(rèn)為僅通過線上實(shí)驗(yàn)的方式還不足以理解全部實(shí)驗(yàn)電路和數(shù)據(jù)。由此可知，科大奧銳仿真平臺(tái)的線上實(shí)驗(yàn)效果認(rèn)可度較高，由于該平臺(tái)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)元件與實(shí)際實(shí)驗(yàn)室接近，學(xué)生更容易接受?？拼髪W銳仿真平臺(tái)更適合高校電工電子實(shí)驗(yàn)課的日常教學(xué)。

4 仿真平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

在高校電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使用Multisim14.0 仿真平臺(tái)和科大奧銳仿真平臺(tái)均能得到與理論接近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生完全能夠使用這兩個(gè)仿真平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

考慮到實(shí)驗(yàn)課上課和管理的情況，科大奧銳仿真平臺(tái)更適合日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該平臺(tái)功能強(qiáng)大，仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)室，不僅可以開設(shè)電工及電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師還可以隨時(shí)查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳及完成情況等。使用該軟件時(shí)，教師需要提前熟悉虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，編輯實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成線上實(shí)驗(yàn)并上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由于學(xué)生使用科大奧銳仿真平臺(tái)時(shí)只能選擇教師規(guī)定的實(shí)驗(yàn)元件完成實(shí)驗(yàn)而不能自行創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)，所以該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更適合用于必修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)工作。

Multisim14.0 仿真軟件具備更全面的電子元器件庫，學(xué)生使用該平臺(tái)做實(shí)驗(yàn)時(shí)需自行選擇符合實(shí)驗(yàn)要求的元件完成電路搭建和連接，所以需要學(xué)生花費(fèi)一定時(shí)間熟悉其元件庫各個(gè)元件的功能屬性。由于教師通過該軟件無法監(jiān)測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，Multisim14.0 仿真軟件更適合作為輔助手段服務(wù)于高校電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

綜上所述，以上兩款仿真軟件都可以在特殊時(shí)期學(xué)生無法返校時(shí)，作為應(yīng)急手段完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。仿真軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有其天然優(yōu)勢(shì)，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)間更自由，不受時(shí)間和場(chǎng)所限制，在實(shí)驗(yàn)過程中也不會(huì)因?yàn)椴僮鞑划?dāng)損壞電子元件，實(shí)驗(yàn)環(huán)境更安全，針對(duì)不易理解的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生還可以多花時(shí)間反復(fù)研究。但是仿真軟件的不足也不應(yīng)忽視。首先，仿真軟件的電子元器件趨于理想化，學(xué)生使用仿真軟件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本沒有誤差，與實(shí)際情況不符；其次，有些儀器的功能不如真實(shí)儀器全面，如示波器、信號(hào)發(fā)生器等；最后，由于使用仿真軟件必須要有電腦，少數(shù)不滿足此條件的同學(xué)無法進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)語

在國家大力推廣虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的大環(huán)境下，仿真軟件介入高校電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)是必然趨勢(shì)。本文以RC 一階電路響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)為例，探討了兩種應(yīng)用廣泛的仿真軟件，Multisim14.0 和科大奧銳仿真平臺(tái)在高校電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。在突發(fā)疫情學(xué)生無法返校的情況下，兩種仿真軟件基本都可以滿足電工電子實(shí)驗(yàn)的教學(xué)需求。在日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，仿真軟件可作為輔助手段服務(wù)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生可在課前先使用仿真軟件熟悉實(shí)驗(yàn)過程，這樣能更全面的理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室操作更容易上手且不易發(fā)生誤操作損壞實(shí)驗(yàn)儀器。另外，仿真軟件也可以開發(fā)難度更高、多學(xué)科融合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供感興趣的學(xué)生選擇學(xué)習(xí)。學(xué)生可以針對(duì)自己想要深入了解的知識(shí)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并使用仿真軟件驗(yàn)證，這樣能極大的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情并鍛煉學(xué)生的自主創(chuàng)新能力?？傊咝ｋ姽る娮咏虒W(xué)結(jié)合仿真軟件可以為學(xué)生提供更加全面、安全和高效的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，不僅能夠讓學(xué)生更好的理解必修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的相關(guān)操作和知識(shí)，還可以開設(shè)選修實(shí)驗(yàn)滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)要求。