基于MULTISIM11仿真的“电路分析”课程改革探索
2012-08-06郑宾
郑 宾
一、高职“电路分析”课程教学现状
“电路分析”是高等学校电类及相关专业一门重要的专业基础课程,也是后续学习其它相关课程的基础。“电路分析”课程内容涵盖电阻电路分析、电路分析、正弦稳态电路分析、频率响应和双口网络分析,[1]课堂教学概念原理多、理论性强、比较抽象,通常安排60学时左右。“电路分析”课程实验是在理论联系实际的基础上,通过实验,使学生熟悉常用电路元件的参数,掌握常用仪器仪表的使用方法,加深对理论内容的理解。因此,只有透彻地理解了理论知识,才能将其正确运用到实践中去,实验课一般安排12学时左右。
课程理论教学中,教师一般采用课堂讲解方式,在黑板上绘制电路,推导电路原理,学生同时做笔记记录重点和电路理论。这种教学方法的优点是学生对教学内容印象深刻,但是与采用多媒体教学方式相比,信息量较小。例如,电路分析中讲解电路等效变换,原理方法较简单,但讲解过程中需要在黑板上绘制多个过渡电路,这些电路图如果用多媒体设备展示,则可以节省很多时间,极大地提高课堂效率。而多媒体教学中,主要以幻灯片的方式演示,虽然提高了课堂效率,大幅增加了授课信息量,但学生一直处于被动观看的学习状态,缺少积极思考、理解记忆和记录笔记的时间,因此,这种教学方式对于基础较差的学生,教学效果尤其不理想。
实验课教学中普遍采用的做法是:实验前先让学生预习实验内容,教师讲解实验的目的和任务要求,学生再进行操作测量,课后学生撰写实验报告。实验预习是学生顺利完成实验操作至关重要的一个环节。[2]但这种教学方法也存在一些问题。首先,“电路分析”课程理论系统性强,在缺乏理解的基础上学习理论会存在一定的困难;其次,实验中对需要使用的元件性能、仪器的基本结构和使用方法不易掌握;最后,由于一些学生没有认真预习实验,根本不知道实验要做什么,在实验课程中不能理解教师的讲解内容,单凭借自己的理解想当然地认为如何去做实验,其结果是记录数据错误、电子元件和实验仪器仪表因操作失误而损坏。
本文通过具体实例,尝试将Multisim11仿真技术引入“电路分析”课程教学中,使传统教学与Multisim11仿真结合起来,利用其各自的优势,提高课程的教学质量和实验效率。
二、基于Multisim11仿真软件的“电路分析”课程改革
(一)Multisim11仿真软件简介
Multisim11是美国国家仪器(NI)公司在收购原加拿大的EWB基础上,推出的一款以Windows为基础的电路仿真工具,它具有完整的集成化设计环境,包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力,[3]能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。Multisim11具有更加形象直观的人机交互界面,包含了Source库、BASIC库、Diodes等15个元件库,提供了我们日常所见的各种建模精确的元器件,如电阻、电容、电感、三极管、二极管、继电器、数码管等等。仪器仪表库中还提供了万用表、信号发生器、瓦特表、双踪示波器、波特仪(相当于扫频仪)、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、失真度分析仪、频谱分析仪、网络分析仪和电压表及电流表等仪器仪表,几乎能够100%地仿真出真实电路的结果,并且容易制作电路模型,迅速了解电路行为,借助高级电路分析,理解基本设计特征。[4]
(二)Multisim11仿真软件在电路分析理论教学中的应用
电路分析理论教学中,动态电路的过渡过程是十分短暂的变化过程。研究电路的过渡过程一方面便于利用它实现某种技术目的,另一方面是为了对某些电路在过渡过程中可能出现的过电压、过电流获得预见,以便采取措施加以防止。传统课堂教学都是以理论讲解为主,瞬态变化波形教师一般直接呈现给学生,如果利用Multisim11仿真电路来展示瞬态过程的变化以及参数对过渡过程时间长短的影响,则有助于激发学生学习兴趣,并加深其对知识的理解。
本文以RC一阶动态电路零输入响应[5]为例,说明Multisim11在课堂教学中的应用。
1.在Multisim11中创建RC一阶动态电路,如图1所示。
图1 RC一阶动态电路
2.零输入响应初始条件:
设t=0_时,电容电压为UC(0_)=U0
当开关J1向下闭合时,分析它的零输入响应。
3.仿真运行,双击示波器XSC1图标打开示波器显示窗口,单击运行(RUN)按钮,按下键盘(space)空格键向下闭合开关J1,在示波器显示窗口观察电容电压变化,如图2所示。
4.通过改变参数R或C,改变时间常数τ=RC,观察RC电路过渡过程波形变化。
图2 电容电压变化
5.通过理论分析,阐述RC一阶动态电路零输 入响应电压变化,并与示波器显示窗口中电容电压相比较,让学生自己得出结论。
(三)Multisim11仿真软件在电路分析实验教学中的应用
电路分析实验教学中,三相负载电路有星型、三角形两种连接方式,而两种连接方式又有对称负载和不对称负载两种情况,学生通过Multisim11可以仿真训练三相负载电路连接和仪表的使用。这样,学生实际实验操作时就能够熟练连接电路、使用实验仪表和记录实验数据,并结合理论知识进行分析,从而达到事半功倍的效果。
本文以对称三相负载星形连接电路为例,说明Multisim11在实验教学中的应用。
1.在Multisim11中创建三相电源。
2.使用创建三相电源连接对称三相负载,并观察有中线和无中线电路状态变换,如图3、图4所示。
3.仿真运行,单击运行(RUN)按钮,观察电路电压、电流变化。
图3 对称三相负载有中线
图4 对称三相负载无中线
4.在实验室进行实验,测定实验数据,验证所学理论。
实践证明,在电子实验中引入Multisim11仿真的手段,达到了良好的教学效果,一方面巩固了学生的理论知识,另一方面提高了其动手实践和创新能力,这也是今后电子实验教学改革的趋势之一。
[1]白菊蓉.Multisim在电路分析系列课程教改中的应用[J].西安邮电学院学报,2011,16(S1):93-96.
[2]周云艳.基于Multisim强化电子技术实验预习效果[J].实验室科学,2011,14(4):126-129.
[3]李若琼.基于Multisim的电路分析课程改革研究[J].电子与封装,2010,10(12):41-43.
[4]刘光军.Multisim10在电子线路基础课程中的应用 [J].计算机光盘软件与应用,2012(4):254-255.
[5]祁宏芳.电路分析基础[M].北京:清华大学出版社,2008.