虚拟仿真技术在中职基尔霍夫定律教学中的应用

段 扬 姬五胜 周伟伟

（天津职业技术师范大学，天津 300222）

传统教学模式下，基尔霍夫电流定律的教学比较单一。随着现代化教学手段的采用，大多数教师利用翻转课堂法、问题探究法、分组讨论法、任务驱动法、启发教学法等进行教学。利用翻转课堂法提高学生的自主学习能力，利用问题探究法激发学生的学习兴趣，利用分组讨论法培养学生的学习积极性，利用任务驱动法培养学生小组合作精神，利于启发教学法引导学生将所学的知识推广应用［1］。在中职电子的实际教学中，由于学校的教学资源、实验设备、场地以及师资力量不足，很难完全创造高效率、情景化的教学条件与环境。利用实验室某些教学设备与先进的计算机技术相结合，创建一个虚拟的教学系统，不仅可以克服已有教学资源的不足，而且还可以学生创造一个虚拟化和直观化的教学环境［2］。“虚拟仿真”也可以称为“仿真技术”或者是“虚拟现实技术”，它是一种可以和虚拟世界进行实时互动的虚拟系统。20世纪40年代，虚拟仿真技术伴随着计算机技术的发展而逐步形成。从发展之始到如今，虚拟和仿真技术随着计算机技术而迅速发展，在系统仿真、方法论和计算机仿真软件的交互性、生动性、直观性等方面取得了比较大的进步。2015年，国家提出专项建设虚拟仿真技术国家工程实验室的通知［3］。近年来，虚拟仿真实验室发展迅猛。虚拟仿真技术在教学中得到了迅速推广，逐步成熟。笔者首先分析了传统教学方法的不足，通过分析教学过程中中职学生的心理状况，阐明虚拟仿真教学的优势，然后以基尔霍夫定律的教学为例，分别采用LabVIEW和Multisim创建了虚拟仿真教学环境，通过建模仿真，不仅直观地呈现出基尔霍夫定律的原理，加强了学生对基尔霍夫定律的理解，而且同时呈现出互动的课堂学习氛围，提高了教学的效果。

1 中职学生课堂心理分析与虚拟仿真教学的优势

中职学生的课堂心理健康状况不理想，主要突出表现在两个方面：一是自卑心较强，遇事退缩，不愿意付出，学习态度以及生活态度消极；二是心理承受力差，意志力薄弱，易产生排斥心理，不愿意接受教师的批评与督促。这就需要用区别于普通教育的教学方法进行教学［4-5］。电工电子课程时操作性较强，进行实验时，由于各种因素会造成少许误差，容易导致实验的失败，打击学生的学习积极性，不利于学生的发展和课程的学习。传统中职电工电子实验主要是在实验台面上插入相关元器件来完成实验。从学生完成实验的效果看来，对于验证性实验，如：基尔霍夫定律的验证、叠加定律的验证等，学生实际实验得到的结论与教学中的理论结论会存在误差［6］。这样的实验不利于学生知识的巩固。虚拟仿真教学的出现避免了实验失败的风险，能最大限度发挥有限的教学资源的利用率，有效提高学生的探究学习热情。由于中职学校教学资金的不足，很多学校的电子电工设备和仪器相对会很少，但是通过“虚拟仿真”教学技术，就可以创建出很多虚拟的实训系统，这样在一定程度上不仅解决了目前中职学校存在的问题，而且还可以增加一些因为价格问题无法解决的教学设备，也可以在虚拟系统上进行模拟操作训练。这样，教师的教学效果大大提升，同时教学设备的损耗也会降低，学生还能巩固自己的专业知识。在教学过程中，教师利用虚拟仿真软件，以学生为主体，引导他们进行探究式学习。这样为学生创建了丰富的教学课堂，可以帮助学生完成知识的建构，提高学生的专业技能和理论知识，提高教学质量，为学生的就业打下坚实的基础［7］。NI推出的Lab-VIEW和Multisim等仿真软件所搭建的电路仿真平台能够弥补传统电工电子实训的许多不足，解决实际教学情况下的许多问题，帮助每个学生进行实验训练。虚拟仿真教学提高了课程的教学质量，提升了中职学生的技能水平，最终达到提升教学效果的作用了。

2 虚拟仿真技术在基尔霍夫定律教学中的应用

在实际教学中，基尔霍夫定律不容易直接得出结论，需要教师通过实验演示，多次测量，最终验证定律，理解电流、电压关系的表达式。虚拟仿真技术为教学提供可能性，为学生创设了理想的理论验证条件。LabVIEW具有图形化界面的优势，Multisim界面简洁、操作方便，应用比较广泛。

2.1 LabVIEW的基尔霍夫定律仿真

2.1.1 基尔霍夫电流定律仿真 如图1所示，是用仿真软件创建的模拟电路。运行时，学生可以给电压Us、电阻R1、R2、R3设置不同的值。3条支路上电流分别为I1、I2、I3分别显示在波形图中，写入功能可以将实验数据存储到Excel文件中，读取功能将I2+I3、I1的实验数据分别显示在第二、第三个波形图中。通过对比波形图，在让学生亲眼看到在不同电阻值的条件下，支路电流的关系：即为任何时刻，流出任意节点的支路电流等于流入该结点的支路电流。图2是该程序对应的程序框图。通过这个仿真实验，直观看到支路电流的关系，同时也激发了学生的学习兴趣，使学生可以主动地参与到仿真实验中，能帮助学生理解基尔霍夫电流定律，加深对这个定律的理解。同实际教学时的实验相比，结果更加直观，学生可以直接通过波形图得到最终结论。

图1 LabVIEW验证基尔霍夫电流定律前面板设计

图2 LabVIEW验证基尔霍夫电流定律程序框图设计

2.1.2 基尔霍夫电压定律仿真 用LabVIEW进行仿真，得到如图3所示的验证基尔霍夫电压定律的前面板。运行时，学生可以给电压Us、Um和电阻R1、R2、R3设置不同的值。三条支路上电压值分别为U1、U2、U3。写入功能可以将实验数据存储到Excel文件中，分析电路知道该电路有两个环路，读取功能将U1、U2和Us显示在第一个波形图，U2、U3和Um显示在第二个波形图，U1+U2、U2+U3分别显示在波形图3、图4中。通过对比波形图，在让学生亲眼看到在不同电阻值的条件下，环形闭合回路的电压定律。即为任何时刻，沿闭合回路电压降的代数和等于零。图4是该程序对应的程序框图。LabVIEW验证基尔霍夫电压定律的仿真实例，首先要在分析好电路的基础上进行，然后通过虚拟仿真实验验证定律。在仿真应用时，一方面，促进课堂的教学氛围，激发学生的兴趣，提高教学的效率；另一方面，提高了学生的综合能力，有助于学生创新能力的发展。

图3 LabVIEW验证基尔霍夫电压定律前面板设计

图4 LabVIEW验证基尔霍夫电压定律程序框图设计

2.2 Multisim的基尔霍夫定律仿真

Multisim软件结合了直观性和仿真性，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证［8］。下面，我们通过Multisim仿真的两个实例验证基尔霍夫定律。

2.2.1 基尔霍夫电流定律仿真 在电子仿真软件Muhisim 14.0界面中搭建如图5所示验证基尔霍夫电流定律的仿真电路。运行仿真程序，从各支路万用表显示的数据看出：验证了基尔霍夫电流定律：流入结点A的电流等于从结点A流出电流的和，即 I2（5.518 mA）+I3（8.276 mA）=I1（0.014 A）=14 mA。

图5 验证基尔霍夫电流定律的仿真电路

使用Multisim可以交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真，对于验证性的仿真实验，十分简单易行；而且使用Multisim进行仿真，实验结果具有直观化的特点，Multisim仿真功能强大，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

2.2.2 基尔霍夫电压定律仿真 电路如图6所示， 已 知：R1=2Ω、 R2=6Ω、R3=3Ω、 R4=5Ω、RS=4Ω、V1=12V。用Multisim对图6的电路进行仿真，得到如图7所示的验证基尔霍夫电压定律的仿真电路。

图6 验证基尔霍夫电压定律的电路

运行仿真程序，可以通过改变V1电压，电路中的电压变化可以在电压表上显示。由图7可知，符合基尔霍夫电压定律：环形闭合回路各电压代数之和为零。

图7 验证基尔霍夫电压定律的仿真电路

2.3 LabVIEW和Multisim在教学的优缺点

两种方法下的仿真都有各自优势：LabVIEW设计的仿真程序可以直观的在波形图上看到数据之间的关系，是最为直观的一种方式，学生在学习时更容易学习与记忆，同时还可以将实验数据保存下来，对于存在定量关系的原理实验，更加有利于学生的学习分析。而Multisim设计的仿真程序将实际的电路图转化为软件中的模拟电路，通过万用表等虚拟仪器实时显示测量结果，不需要计算直接通过软件后台得到的，同时可以交互控制电路的测量和运行的过程，节省了教学时间。

3 结 语

LabVIEW和Multisim仿真可以应用到中职电工电子课程教学中［9］。LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式，可视化效果很好，主要优势在于应用LabVIEW虚拟仿真技术，可以使电路原理得分析更加简单直观；Multisim比LabVIEW出色的地方是提供了多种常用的虚拟仪表，Multisim的虚拟仪表与现实中所使用的仪表一样，可以直接通过这些仪表观察电路的运行状态；灵活运用好这两个仿真软件，扬长避短，能在电路教学、实验、仿真分析与设计的实践过程中起到积极的作用。虚拟仿真技术是时代的产物，在实际教学中起到了重要作用。虚拟仿真教学在中等职业院校教学中的应用还处于研究和探索的阶段，在教学应用的过程中还有很多的问题需要解决。