利用仿真软件轻松突破“电工电子技术”课程重难点

党智乾， 乔琳君， 曹海红， 杨春

(西安航空职业技术学院 自动化工程学院， 陕西 西安 710089)

0 引言

电工电子技术课程作为职业院校工科类专业中一门重要公共课程[4]，面向的是全校理工科的学生，相对来说，涉及专业较多，覆盖面广。主要包括非电类[5]机械制造、数控、材料控制、能源、汽车及计算机科学与技术专业等，电类的包括通信工程专业、电子信息与工程、自动化、电子科学与技术等。工科类职业院校的85%(以西安航空职业技术学院、陕西工业职业技术学院、陕西国防工业职业技术学院为例)以上的专业均不同程度开设电工电子技术类课程或实训，电工电子类课程作为专业课的前续课程，对学生专业实践能力和创新思维能力的培养有着非常重要的意义。课程中的部分概念较为抽象、理论分析过程数学推到复杂、理论概念难以理解，文章针对以上问题就“电工电子技术”课程如何改革进行了探讨和研究。

1 复杂问题简单化

电路结构图，如图1所示。

电路的已知电压源大小为12 V，电阻大小依次为图中所

图1 电路结构图

示，分析图中五条支路支路电流和A结点B结点的电位VA、VB的大小。

理论分析过程：先列A、B两点的基尔霍夫电流方程,如式(1)、式(2)。

结点A：

I1-I3-I4=0

(1)

结点B：

I2+I3-I5=0

(2)

将上述方程代入式(1)和式(2)，并代入题目中已知数据，最终可得：I1=4.18 mA，I2=-3.09 mA，I3=3.276 mA。

通过理论分析和仿真分析两种学习方法的比较，理论分析要求分析7个量，需要列7个方程，代入题目中已知的7个数值，经过复杂的繁琐运算可得结果。软件仿真分析中，按照题目要求找到相应直流电源和电阻，添加5个直流电流表和两个直流电压表，点击仿真按钮，如图2所示。

图2 电路仿真结果示意图

直接显示5个支路电流和两个节点电压。通过软件的一步仿真，复杂的理论分析变得简单明了，同时软件分析也可以对理论分析的结果进行验证。

2 理论学习深入化

被称为“电路求解大师”的德国伟大的科学家古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫于1845年提出了稳恒电路网络中电流、电压、电阻关系的两条电路定律，即基尔霍夫定律，基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律，基尔霍夫电流定律内容为：对于电路中的任何一个节点，通过这个节点的电流代数和始终为零。基尔霍夫电压定律内容为：对于电路中的任何一个闭合回路，这个回路内所有元件上的电压的代数和始终为零。在我们使用基尔霍夫定律分析电路前，首先要规定支路电流参考方向和回路绕行方向。同学们经常在为什么要规定参考方向和为什么要假设绕行方向这儿出现困惑，除了利用大量的电路分析会有全新的深刻认识外，如果利用软件进行仿真[6]，则可以通过安培表和伏特表的不同极性的端子接法来解释这个问题，既直观又形象，理论上的抽象变为视觉上的形象，理论知识学习得以深化。

需要分析各支路电流时，事先不知道电路中支路的电流方向，要利用基尔霍夫电流定律，必须假设支路电流的参考方向,如图3所示。

图3 电路结构图

在用软件仿真时，测电流直接接入安培表，软件中安培表分了4种类型，选择哪种安培表，可以根据所求支路的电流参考方向选择安培表，如图3中支路电流I1,它的参考方向是从下至上，那我们们就要选择类型安培表，否则仿真显示结果与理论分析结果相反,如图4所示。

如果在仿真的过程中可以提前不给学生讲解这些，在仿真结束后，同学们就会根据仿真结果与理论不一致提出问题，可以让他们进行主动思考来解决问题，透过现象看本质，变被动为主动，这样可以加深参考方向概念的学习，也可以加深电流是矢量的概念的学习。

图4 电路支路电流仿真结果

3 抽象问题形象化

放大是对模拟信号最基本的处理，单管共射放大电路(NPN型三极管)的仿真电路图,如图5所示。

图5 单管共射放大电路(NPN型三极管)

进行直流工作点分析，采用菜单命令Simulate/Analysis/DC Operating Point，在对话框中设置分析节点及电压或电流变量,同时可以分析出直流工作点工作状况。

当静态工作点合适，并且加入合适幅值的正弦信号时，可以得到基本无失真的输出，如图6所示。

但是，持续增大输入信号，由于超出了晶体管工作的线性工作区，将导致输出波形失真，如图7(a)所示。

图7(b)是进行傅里叶频谱分析的结果，可见输出波形含有高次谐波分量。

静态工作点过低或者过高也会导致输出波形失真，如图8所示。

由于基极电阻Rb过小，导致基极电流过大，静态工作点靠近饱和区，集电极电流也因此变大，输出电压Vo=Vcc-icRc，大的集电极电流导致整个电路的输出电压变小，因此从输出波形上看，输出波形的下半周趋于被削平了，属于饱和失真。

图6 单管共射放大电路输入输出波形

(a) 输出波形失真

(b) 傅里叶频谱分析结果

4 效果分析

借助软件对“电工电子技术”中的重难点进行了系统化的学习安排，将改革后的项目应用于2018级的机电一体化专业、工业机器人专业、生产过程自动化技术专业。通过改革的实践，使得“电工电子技术”课程中重点不变，难点的学习变得轻松高效，理论的掌握更加牢固。同时，学习过程中学生对待知识的好奇心大大增强，学生能够感觉到自己在发现问题后可以解决问题，良好的成就感非常给力。学习主观

图8 减小Rb后的失真输出波形

能动性、实验过程的创新意识及对自我实验技能的要求都得到了明显的改善，学生之间也充分发挥了个人优势及团队组织协调能力。通过改革，学生在理论考试成绩分布状况和电工技能证通过率方面都有所提高，参与全国职业技能大赛的成绩等级和获奖数量也得到提升，为培养高技术技能型人才提供了保证。

5 总结

传统高职院校非电类专业电工电子技术课程内容基础性强、理论复杂、概念抽象，为了突破电工电子技术课程的重难点，加强学生工程应用能力的培养，以软件作为工具，重新规划课程重难点的学习过程，通过使用虚拟仪器达到理论分析简单化，通过软件仿真和理论分析相互对比，使得理论学习深刻化，通过波形分析使得抽象问题形象化。利用仿真软件突破重课程学习的重、难点，培养学生运用技术手段解决工程问题的能力，提高了电工电子技术课程的学习效果，为学生进行之后的专业课程奠定了坚实的基础。