理论仿真实验相融合的电工学教学方式研究

徐州工程学院土木工程学院 宗德媛 朱 炯 李 兵

电工学是学生理解、掌握及应用电学知识，培养学生动手能力和综合实践能力的专业基础课。在电工学教学中，将EWB虚拟仿真技术、传统实验技术及理论教学相结合，通过仿真计算、实验演示，让学生理解掌握电路的组成、工作原理和性能特点。EWB仿真软件开展案例教学，可以帮助学生更好地理解和掌握电子技术理论，同时为提高学生实际操作能力打好基础。

电工学实验是对理论知识的补充与延续，培养学生的实验技能、动手及创新能力。理论课具有概念多、计算复杂、综合性强等特点，以致学生无法理解。实验课危险性较大，学生在实验中可能会造成仪器损害、元器件烧坏甚至触电等情况。EWB软件中元器件库和仪器仪表丰富，操作界面模拟真实实验环境，而且在软件上进行实验不会出现任何危险。因此，在电工学教学中可以将理论、仿真计算和实验相结合，提高学生的实践能力，激发学生学习电工学的兴趣。

用EWB仿真软件模拟实际电路可以概述为以下几个步骤，对任意一个电路的仿真设计依照步骤进行，EWB仿真软件模拟实际电路流程图如图1所示。

图1 EWB仿真软件模拟实际电路流程图

在电工学实验中引入EWB仿真软件，可立即得到仿真结果和对应的图表曲线，且仿真、实验也使学生对专业知识有了更为深入的理解。以下本文将结合电工学“基尔霍夫定律和叠加定理”理论、实验、仿真内容来探索EWB在该课程中的应用。

1 理论计算

基尔霍夫定律和叠加定理的电路如图2所示，图中标出了各元件的电流和电压的参考正方向。若电流（电压）的实际方向与规定的正方向相同电流值为正值；若电（电压）的方向与规定的正方向相反，电流值为负值。其中，E1=10V，E2=15V，R1＝1KΩ，R2＝510Ω，R3＝300Ω，R4＝200Ω，R5＝300Ω。

图2 基尔霍夫定律与叠加定理电路图

根据基尔霍夫电流定律，在任一节点处的电流值满足ΣI=0，根据基尔霍夫电压定律，任一闭合回路中的电压值满足ΣU=0。根据叠加定理，线性电路，任何一条支路的电流，都可以看成是由电路中各个电源分别作用时，在此支路中所产生的电流的代数和，理论计算数据满足叠加定理。

表1 理论计算电流值

表2 理论计算电压值

2 EWB仿真计算

根据EWB仿真软件电子元器件库，建立基尔霍夫定律和叠加定理的仿真模型。仿真运行后，让学生在测量仪表上观察仿真结果，并记录分析测量结果是否正确。若不正确，分析原因，调整仿真电路，对照电路设计要求更改相关元件参数，返回仿真继续进行，直到得到正确结果。仿真模型如图3～图5所示。

图3 E1和E2共同作用仿真电路图

图5 E2单独作用仿真电路图

记录仿真分析计算结果如表3所示。

表3 仿真计算电流值

仿真E1、E2共同作用时各电压值，记入表4。

表4 仿真计算电压值

图4 E1单独作用仿真电路图

3 实验验证

实验教学部分是电工学课程的重要环节，通过实验不仅能强化学生对理论知识的巩固和理解，而且也提高了综合实践能力。

实验电路如图6～图7所示，双向开关K1、K2控制电源E1、E2的接入或短路。在实验板上有电流测试断口，可将安培表串接进支路测试电流。实验测量电流值如表5所示。

表5 实验测量电流值

图6 基尔霍夫定律与叠加定理实验电路

图7 基尔霍夫定律与叠加定理实验模块

测量E1、E2共同作用时各电压值，记入表6。

表6 实验测量电压值

根据实验数据得出结论，实验测试数据验证了基尔霍夫电流定律和叠加定理的正确性。

4 理论、实验、仿真对比分析

最后让将实验、仿真结果与理论计算对照、比较，计算误差、分析原因，并撰写总结报告。以叠加定理各电流值对比分析理论、实验和仿真计算的结果表7所示。

由表7可知，理论计算结果和仿真结果基本一致，个别数据误差为0.01mA，实验数据与理论数据、仿真数据最大误差为0.22mA。实验误差在允许范围内，分析误差原因：实验电压表、电流表内阻产生的误差；实验中所使用的元器件的标称值和实际值的误差；仪器本身的误差。

表7 理论、实验、仿真计算电流值

在电工学教学中，充分利用EWB仿真软件，将虚拟仿真技术与理论教学、传统实验技术有效结合，把实验、仿真教学贯穿在理论教学中。EWB软件图形界面可直观的模仿真实的实验操作环境，使原本枯涩难懂的知识点变得生动形象起来。对于较难理解的电路理论，采用先讲理论知识，再实验验证，最后仿真计算的方式来巩固、加深所学知识，从而取得较为良好的教学效果。