虚拟现实教学法在《电工学》课程中的应用

兰州理工大学电气工程与信息工程学院 余 萍



虚拟现实教学法在《电工学》课程中的应用

兰州理工大学电气工程与信息工程学院 余 萍

【摘要】针对电工学教学中存在的问题，从改革教学方法和提高学生对知识的理解、分析能力以及学习参与度、兴趣的角度出发，本文应用MULTISIM软件完成2个虚拟实验仿真，并对教学设计、实验过程及实验结果进行了详细分析。通过教学实践验证，应用虚拟仿真技术于电工电子课堂教学中，使得教学过程更形象、生动、直观，学生参与度得到有效提高，教学效果更好。

【关键词】虚拟现实教学法；电工学；MULTISIM；教学实践

电工学是针对高等学校非电类工科专业开设的一门专业基础必修课，具有综合性强，学时短，内容多、抽象难以理解、理论方法多且不容易记忆等特点[1,2]。因此，学生普遍觉得难学、难懂，缺乏学习兴趣和热情，缺乏自主思考、自主探索的能力，习惯于被动接受、习惯于对知识点结论的掌握而忽略对结论得出过程的探讨，从而导致对内容的理解不到位，思路不清晰，教学效果不理想的情况。将MULTISIM仿真软件应用于电工学教学中，将使得相关概念及定理的呈现更直观、生动、便于理解和掌握，并可通过仿真实验的设计和实现以及对实验结果的分析，极大的提高了学生的参与度，增强学生的学习自信心，极大地活跃了课堂气氛，使教学效果得到大幅度提升[3]。

本文主要从两个教学实例的设计与实施来阐述虚拟仿真技术在《电工学》教学过程中的应用及其价值。

1　MULTISIM在基尔霍夫电流定律教学中的应用

基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL），是反映电路中各部分电流、电压间的相互约束关系的基本定律。它跟欧姆定律一起，被称为“电路分析的两条腿”，对电路其他部分知识的学习均有极为重要的支撑作用。KCL的基本内容是：在任一瞬间，对电路中的任一结点，流入的电流之和恒等于流出的电流之和[4]。

1.1教学设计

1.1.1设计思路

在以往的教学中，此部分内容的讲授通常由静态的电路图作为呈现，借助于电流流向的符号及数学公式直接给出结论，而利用MULTISIM软件就可在课堂上实现实时的电路仿真演示，引导学生自己完成对定理结论的推导，使对内容的展示更生动，内容的理解更透彻。

1.1.2教学步骤

教学过程中，首先需要在仿真软件中画出电路图；分析电路结构，说明元件的作用；然后运行仿真，并分析仿真数据，必要时变换电路参数，重新仿真以得到更多的仿真数据；最后引导学生对实验数据进行分析，通过自主思考得出结论。

1.2仿真实验的运行和分析

利用Multisim仿真软件，创建图1所示基尔霍夫电流定律的仿真电路，该电路含有两个结点三条支路，每条支路上放置直流电流表用于测试支路电流I1，I2，I3；左侧支路中串有可调电阻R1，其他元件和参数如图所示。调节可调电阻R1的阻值，在阻值分别为2Ω、4Ω、6Ω、8Ω、10Ω五种情况下，分别观察三个电流表读数，结果如表1所示。

表1　仿真实验数据

引导学生观察、分析实验结果，很容易发现：

I1+I2=I3

继续分析电压电流方向发现对上结点而言，I1和I2为流入结点的电流，I3为流出结点的电流，从而让学生自主推导出基尔霍夫电流定律（KCL）的内容，即：在任一瞬间，对电路中的任一结点，流入的电流之和恒等于流出的电流之和。

图1　仿真电路及仿真结果

但是，细心的同学可能会发现，表1结果中，当R1阻值等于6Ω时，I1和I2相加之和与I3数值有微小差距，这是为什么呢？原因很简单，由于软件中的所有仪器元件等，都是按照虚拟现实的方式进行连接，仿真时就会受到仪器元件的内阻等原因影响，而使实际结果与理论结果有细微差别，但这都是在工程误差允许范围内的。因此，在实物实验中，如此细微的差距不会影响定理内容的正确性。

1.3教学效果分析

不难看出，将MULTISIM软件的仿真技术引入到《电工学》课程内容的教学中，能够使结论的得出更自然流畅，学生的参与度及对内容的理解掌握程度将得到显著提高。

2　MULTISIM在电路暂态教学中的应用

电路的暂态过程是电路旧稳态到新稳态中间的过渡过程，它是由于电路中储能元件能量的转换不能瞬间完成而造成的电路现象[4]，可以分为零输入响应、零状态响应和全响应对暂态进行分析。

2.1教学设计

2.1.1设计思路

这一教学内容很抽象，课堂讲授时是以电路的稳态分析作为承接，因此学生通常对“电路暂态”这一新的电路状态理解不透，对t=0-、t=0+、t=∞三个时刻及该时刻电路状态的理解和把握不足，原因是对元件的充放电过程、换路等概念没有透彻理解所造成的，将MULTISIM仿真实验加入此部分内容的讲解将更有利于对内容的掌握。

2.1.2教学步骤

教学过程与1.1.2小节基本一致，但是本节内容则是通过改变电路结构来得到不同的结果，而不是改变电路参数。

得到仿真结果后，应引导学生通过自主思考，理解“换路”、“电容充放电”过程等概念，进而理解暂态过程教学内容的全部知识点，包括零输入响应、零状态响应和全响应等。

2.2仿真实验的运行与分析

利用MULTISIM仿真软件，创建如图2所示RC仿真电路，并着重说明开关（J2）在不同位置时电路的结构特点。仿真时，先将开关打在1位置，调出示波器窗口，启动仿真电路，发现示波器没有电压信号输出，说明电容元件上没有储能，此时可认为电路处于旧的稳定状态。

图2　RC电路仿真（J2处于位置1）

图3　J2由位置1拨到位置2时的电路响应

图4　J2由位置1拨到位置2后，再拨回位置1时的电路响应

此时，将开关拨到位置2，可以自然地引出“换路”这一概念，并强调“换路”的发生是触发暂态的充分条件。启动仿真电路，如图3所示，引导学生观察两个问题：（1）电容元件上能量是增加还是减少？ （2）能量的增加是瞬间完成的吗？然后，再将开关拨回到位置1，如图4所示，引导学生再次思考前面两个问题。显然，图4中显示的是电容元件上的电压是逐渐增加的，而图5中当电路再次“换路”时，电容元件上的电压又是逐渐减少的。结果表明，储能元件上的能量转换并不是瞬间完成的，而转换的时间长短则跟电路的参数（即，时间常数τ=RC）有关，τ越大，转换时间越长；τ越小，转换时间越短。

2.3教学效果分析

将MULTISIM软件引入电路暂态教学中，能够使原本抽象难理解的内容变得直观而生动，使学生对相关概念的理解更为透彻，学习电工学的自信心得到明显提高。通过这样直观而生动的展示，使学生透彻理解充放电过程及暂态状态的存在，区别t=0-、t=0+、t=∞三个时刻及该时刻电路状态，从而自然地引出零状态响应、零输入响应以及全响应的概念。

3　结束语

本文通过2个MULTISIM仿真软件与电工学教学内容有机结合的实例，说明了在课堂教学中加入仿真实验能够将抽象的电工学概念和原理直观化、形象化，有利于突破难点、深化理解，能够有效提高学生的课堂参与度和自信心，激发学生学习的积极性和学习兴趣，从而实现教学效果的提高。我们将这样的虚拟仿真教学方法应用于近几个学期的《电工学》教学实践，发现，非电类专业的学生对于这门电类基础课的兴趣明显提高，课堂气氛更为活跃，课堂参与度也有相应的提高，学生的成绩得到明显改善，教学效果明显。可见，将MULTISIM软件应用于电工学课堂教学中是深化教学改革，提高教学效果的有效手段，同时具有重要的实践意义。

参考文献

[1]孙向文,孙立功.Multisim在“电工学”课堂教学中的应用研究[J].中国电力教育,2014,11(4):73-74.

[2]蒋莉,赵宇艳.Multisim10在叠加定理教学中的应用[J].中国西部科技,2014,13(11):73-75.

[3]廖辉.仿真软件在电工学中辅助教学探讨[J].实验技术与管理,2014,31(4):102-105.

[4]秦曾煌.《电工学》(上册)—电工技术(第6版)[M].北京:高等教育出版社,2004.

余萍（1979—），女，甘肃兰州人，硕士，讲师，主要从事电路与系统、模式识别等方向的教学与研究工作。

作者简介：

基金项目：甘肃省基础研究创新群体项目（1506RJIA031）。