基于Multisim虚拟仿真的《电路分析》教学模式探索

彭光含

（湖南文理学院物理与电子科学学院，湖南 常德 415000）

基于Multisim虚拟仿真的《电路分析》教学模式探索

彭光含

（湖南文理学院物理与电子科学学院，湖南 常德 415000）

《电路分析》是电子类专业的基础课程。针对《电路分析》课程的电磁现象，在教学改革实施过程中, 借助Multisim软件进行虚拟仿真，再现电路现象和电路规律，优化《电路分析》课程教学内容体系。达到融合电路分析理论和电路实验的目的。促进学生的电路理论知识的理解和掌握，开拓学生的思维能力，有效提高了学生对电路知识的理解。

电路分析；教学改革；Multisim

1 引言

《电路分析》课程[1]是电子信息类专业最基础的专业基础课程，采用现代计算机仿真技术手段，再现电路现象和规律，探索《电路分析》课程新的教学模式，加强对学生实际技能和解决问题能力的培养，是《电路分析》课程教学改革的目标。电路仿真软件Multisim随着现代计算机技术的发展，已经成为解决、验证和探究电路现象和规律的基本方法[2,3]。在《电路分析》课程教学过程中，采用Multisim仿真技术，以虚拟仿真实验驱动，对《电路分析》课程的教学方式和手段，教学内容的设计，电路现象和规律的探究和验证进行教学改革，符合现代教学发展的方向和科学实验的精神。基于Multisim软件的虚拟仿真驱动《电路分析》教学模式，将虚拟仿真教学与其他教学方法相结合有助于提高课程教学效果，在《电路分析》课程的教学中具有重要的意义。

2 《电路分析》课程教学模式探索

在电路教学设计过程中，不仅要加强电路基础理论的教学，还要不断融合相关学科领域的最新研究成果。课堂教学设计要针对不同的电路现象和电路规律，思考生活实际的电路问题，设计相关的电路虚拟仿真实验，并创设电路问题情境，引导学生不断探索和不断质疑的科学精神。因此，在课堂教学实施过程中，借助Multisim仿真技术，针对不同的电路知识点，设计相应的电路问题情境，模拟相关电路现象和规律的实验，以及相应的电路实验操作过程，实现电路现象形象化的模拟，让学生能够切实感受到电路的变化和电路设计的过程，并掌握相关的操作技能，利用Multisim软件的优势，培养学生基本电路设计和操作技能，实现理论知识和电路现象表象的统一，克服学生电路现象和电路分析的思维障碍。提炼了电路课程，浓缩了电路信息量，达到课程系统性与逻辑性融合，使学生更容易接受，激发学生的思维，培养学生创新能力。

3 基于Multisim虚拟仿真设计举例

Multisim是美国国家仪器公司（NI，National Instruments）推出的电子电路虚拟仿真软件，是一个电路设计和仿真的工具软件。能够提供数千种电路元器件和虚拟仿真仪器。虚拟仪器界面的操作开关、按键与实践仪器仪表极为相似，用户界面直观，用户还可以根据电路设计需要，扩充相应元件库。Multisim具有超强的电路仿真分析性能，能够实现大多数电子电路技术的实验仿真。为使仿真真实可靠，大多数采用实际模型。

《电路分析》课程的基础理论内容多，基本概念，基本定理多，因此，采用Multisim仿真技术，在《电路分析》课程教学过程中，针对电路的教学内容，创设实际电路问题情境，借助Multisim软件实现不易看到或难以实际体验的电路现象的模拟，使学生可以直观观察电路演化的复杂变化过程，增进学生对电路知识的动态探究和获取知识的能力，以虚拟仿真实验驱动，让学生在模拟的情境下进行电路现象和电路规律的探究和学习。通过仿真技术的模拟实验和相应的实验操作，以及电路现象形象化的模拟，让学生在教学过程中追寻知识获取的过程，让学生能够切实感受到电路的变化和电路设计的过程，并掌握相关的操作技能，利用计算机软件的优势，培养学生基本电路设计和操作技能。下面以《电路分析》课程中的内容换路定则为例。换路往往发生在：电路结构突然变化，电路参数的突然改变或者电源的突然通断等电路变换过程。通过笔者多年教学经验发现，换路过程中的突变思想和条件，学生往往难以理解接受，而电路换路分析是判断初始条件的前提，而初始条件是动态电路分析得到确定解答的必需条件，因此，换路定则是增强学生对动态响应特性的正确理解的重点内容,也是难点内容。

3.1电容换路过程仿真

电容电压电流关系如图 1所示。根据电容电压的理论计算：

图1　电容模型

得到电容换路瞬间的结论：换路瞬间，若电容电流保持为有限值，则电容电压换路前后保持不变。学生对这样的结论往往是一种被动的接受，而且需要很强的数学理论知识，以及电容电压电流动态变化关系的理解。基于此，可以借助Multisim仿真软件对这种现象进行仿真说明，仿真结果如图2所示。图2(a)表示电路换路前电容接通电源，使电容带上12伏电压。图 2(b)表示换路瞬间，电源短路，使电容短路。从仿真结果来看，电容在换路瞬间电容的电压是不变的。从而通过虚拟仿真实验的直观再现，加深了换路前后电容电压变化的规律。同时可以引导学生，这是因为电容的电能与电压有关，而能量的释放，需要时间，从而使换路前后电容电压保持不变。

图2　电容换路仿真

3.2电感换路过程仿真

电感的电压电流关系如图3所示。根据电感电流的理论关系计算：

图3　电感模型

得到电感换路瞬间的结论: 换路瞬间，若电感电压保持为有限值，则电感电流换路前后保持不变。对于电感这样的结论，学生往往是被动的接受，而且与电容换路的结论容易发生混淆。为了使学生直观理解，笔者使用了Multisim仿真软件进行了电路仿真实验设计。仿真结果如图 4所示。图 4(a)表示换路前，开关接通电源时，电感电流为1安。图4(b)表示换路后瞬间，当开关断开瞬间，电感的电流依然保持不变。仿真结果表明电感在换路瞬间，电感电流保持不变。进一步向学生说明的是，电感的磁能与电流有关，而能量的释放，同样需要时间，从而使换路前后电感电流保持不变。

综上所述，得到换路定则：电容电流和电感电压有限的情况下，换路前后，电容电压和电感电流保持不变。

图4　电感换路仿真

4 结语

《电路分析》课程理论性强，电路现象多且复杂，针对电路的疑难问题，采取Multisim虚拟仿真技术，通过设计电路仿真实验，再现电路现象和规律，采用动态演示和循序渐进的探究教学模式，通过对设计相关电路问题，启发学生通过虚拟仿真实验，大力培养学生的创新能力和科学精神，同时培养学生的实践能力。同时，新的虚拟仿真技术运用，也要求教师不断提高自身素质，更新知识体系和内涵，不断树立创新理念，深挖《电路分析》的教材，运用各种计算机技术方法，加强教学改革观念，使课堂教学体现求真、释疑的科学思想，通过教学改革，不断运用新技术，创新改革教学模式和教学方法，激活课堂创造的原动力，提升教学效果，有力地夯实学生的基础，提高学生的实际能力。

[1] 邱关源.电路(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2] 杨晓平.Multisim在电路理论教学中的应用[J].高等函授学报(自然科学版),2012,25(6):79-80,90.

[3] 颜芳,宋焱翼,谢礼莹,等.基于Multisim的电路原理课程仿真实验设计[J].实验技术与管理,2013,30(5): 59-62.

Teaching mode exploration of circuit analysis based on multisim virtual imulation

The circuit analysis is a basic course of electronic engineering. To explore electromagnetic phenomenon of circuit analysis course, with the help of Multisim software virtual simulation, it can reproduce the circuit phenomenon and the circuit law and optimize the curriculum teaching content system in the implementation of teaching reform. It can achieve the objective of integrating the circuit analysis theory and circuit experiment. Also, It can promote students to understand and master the circuit theoretical knowledge, develop their thinking ability and effectively improve their understanding knowledge of circuit.

Circuit analysis; teaching reform; multisim

G642.0

A

1008-1151(2015)09-0146-02

2015-08-12

2015年湖南省普通高校教学改革研究项目立项资助(湘教通[2015]291号,383项), 2015年湖南文理学院教学改革研究重点项目(JGZD1504),湖南文理学院芙蓉学院教改项目(FRjg1415)。

彭光含（1973－），男（侗族），湖南洞口人，湖南文理学院物理与电子科学学院教授，从事电子教学研究。