Multisim在留学生“电工学”教学中的应用

江苏大学电气信息工程学院 朱 莉 白 雪

“电工学”作为非电专业的技术基础课，理论性、实践性都很强。课程涉及面广，知识点繁多抽象，学生学习起来普遍感到困难。2020年初，突如其来的新冠肺炎使留学生“电工学”线上教学变得异常困难。笔者将Multisim仿真运用到留学生“电工学”理论教学中，激发留学生的学习兴趣，提升教学效果。同时，Multisim仿真突破了传统教学模式的时间、空间和设备的限制，使“电工学实验”由传统的线下实操转为线上实验变得可行，形成一种新型的线上线下混合式实验教学模式。

“电工学”作为非电专业的技术基础课，具有很强的理论性和实践性。具有课程涉及面广、知识点繁多抽象等特点。学生学习起来普遍感到困难，尤其是对受教育程度参差不齐，自律性不强的留学生来说更是困难重重。2020年初突如其来的新冠肺炎迫使留学生教育从面对面的小班授课模式直接转变为纯线上教学或线上线下相结合的模式。如何让留学生集中注意力、调动其学习积极性对任课教师是极大的挑战。

目前，国内疫情得到控制，在国内的来华留学生已回归课堂。然而，国外疫情形势依然严峻，仍有许多留学生无法返回中国。借助各种网络平台，理论课程已经可以在线上顺利进行。那么，线上实验课程该如何进行呢？这也是任课教师一直在探索问题。

后疫情时代，笔者在总结前期线上教学经验的基础上，将Multisim仿真融入“电子技术”（电工学Ⅱ）理论和实验课程的教学中，充分利用互联网+和计算机仿真技术，突破传统教学模式的时空限制，理论与实践相结合，在帮助留学生掌握电子电路的基本概念和基本分析方法的同时，培养工程实践能力。

1 来华留学生“电工学”线上线下混合式教学的背景

我校非电专业留学生自2013年起开设全英文授课“电工学”及“电工学实验”课程，该课程2014年获评“江苏高校省级英语授课精品课程”，2018年获评“江苏大学精品在线开放课程”，录有完整的理论教学视频。

与国内学生相比，我校留学生具有以下特点：时间观念比较差，基础教育水平较低，受教育程度参差不齐，不同学生学习态度也截然不同。但是课堂气氛比较活跃。传统课堂教学都是小班面对面授课，对教学过程中出现的问题，教师可以一对一辅导。

2020年初突如其来的新冠肺炎迫使线上教学成为全国教育模式的主流，留学生教育也不例外，从面对面的小班授课直接隐退到手机和电脑屏幕的另一端，加剧了管理和教学的难度。2020年秋季学期，随着国内疫情得到控制，各高校逐渐复学，部分留在国内的来华留学生已回归课堂。然而，国外疫情形势依然严峻，导致许多留学生无法返回中国，只能继续依靠网络学习完成学业，留学生教育又转为线上线下相结合。在疫情常态防控的背景下，我们无法预测留学生们何时能够返校，线上教学或将成为他们完成学业的主要模式。

疫情打破了一切常规，但是也给教学改革带来了契机。在适应了各种智慧教学平台后，如何结合“电工学”课程性质和留学生自身特点对教学模式和内容进行改革，激发留学生的学习兴趣、调动他们的学习积极性，以及如何充分利用先进的网络技术和信息技术进行线上实验教学，培养留学生工程实践能力，对任课教师来说都是极大的挑战。

2 Multisim软件简介

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，用软件方法虚拟电子元器件及仪器、仪表，将元器件和仪器集合为一体，是原理图设计、电路测试的虚拟仿真软件。

将Multisim应用到电工学理论教学中，利用其丰富的仿真元器件库和仪器、仪表库，可以将知识点中抽象的理论分析通过计算机仿真实时显示出结果或波形，从而方便学生理解电路的工作原理。另外，Multisim软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，为用户提供了所见即所得的设计环境、互动式的仿真界面，即使是从未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地操作该软件，并可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。同时，英文版Multisim软件可以方便留学生不受时空限制自己动手进行仿真实验，将抽象的理论形象化、具体化，将理论知识上升到新的感性高度，解决理论与实践相脱节的问题。

3 Multisim在电子技术教学中的应用

3.1 理论教学

二极管作为电子技术中最基本的元件，其主要性质为单向导电性，即二极管外加正向电压时导通，外加反向电压时截止。利用二极管的单向导电性，可以构成限幅电路。然而，对于刚刚接触电子技术的学生来说，电子线路比电工电路更加抽象，不易理解。因此，笔者在课堂教学中首先从理论上分析限幅电路的工作原理，然后加入Multisim仿真演示。

图1为用Multisim软件绘制的限幅器仿真电路，电路中的二极管、电阻、电源都可以在Multisim元件库中调用，该电路模型与课堂上分析的电路完全一致，图中的XSC1是Multisim虚拟仪器库中的双踪示波器。其中，chanel A用来测量二极管阳极电位，代表电源电压，为输入端；chanel B用来测量二极管阴极电位，代表输出端。

图1 限幅器Multisim仿真电路

图2为示波器显示的测量数据和仿真波形。当电源电压为9.978V时，阴极电位为9.3331V，可见二极管的正向压降为0.647V。当二极管阳极电位为－9.966V时，二极管截止，测得阴极电位为2V，说明二极管的反向电流为0，用具体的测量数据说明了二极管的单向导电性。同时chanel A、chanel B两个通道分别实时显示出输入输出电压的仿真波形，使学生对限幅电路有了直观认识。

图2 仿真波形

由此可见，将Multisim仿真融入课堂教学可以将抽象的理论知识具体化，形象化，方便学生理解和记忆。

3.2 实验教学

由于MultiSim提供了大量的元器件库和虚拟仪器、仪表，并且提供了修改电路设计的灵活性，可实现学生在理论、仿真、实操实验之间的无缝衔接。为无法进入实验室的学生提供了一个虚拟实验平台。下面讲述Multisim仿真在共射放大电路静态分析中的应用。

（1）静态工作点的仿真分析

传统的实验中，静态工作点一般是用电压表、电流表测量数据得到。而Multisim中包含了直流工作点分析功能。选择Simulate>Analyses and Simulation>DC Operating Point，选择I(Q1[IB])，I(Q1[IC])，V(3)，V(4)，加入对话框，然后点击“RUN”，就可以得到仿真结果：IB=3.1μV，IC=659.4μV，VCE=4.1V。

图3 分压偏置共射放大电路

（2）仿真曲线

图 4为Multisim中虚拟双踪示波器显示的仿真曲线，Chanel A测量的是输入电压，ChanelB测量的是输出电压。由图4可以直观地看出输入电压与输出电压相位相反，从而验证了共射放大电路输入输出电压的相位关系，与理论公式推导一致。另外，通过调节电阻R6的值，可以观察静态工作点对输出电压波形失真的影响。

图4 仿真曲线

由此例可以看出，基于互联网的Multisim虚拟仿真实验，可以打破时空限制，使身在海外的留学生也能参与实验教学活动。

同时，本着“以学生为中心”的教学理念，实验教师积极转变教学思路、大胆创新、积极探索出了网络实验教学的三种教学模式：在线远程虚拟仿真实验教学、录播教学和互动式自主学习教学。充分利用实验台和计算机仿真技术，突破传统教学模式的时空限制，通过“实物操作+仿真操作”的方式，虚实结合、人人动手，进行线上线下混合式实验教学。

具体做法如下：

（1）挑选经典实验内容录制教学视频，优化教学课件，并要求所有留学生提前熟悉Multisim软件。

（2）实验前一周发布教学视频，让学生提前了解实验内容和要求。

（3）在国内的留学生到实验室进行实操实验，用视频直播教师的讲解和学生的实操过程，包括元器件实物展示、按实验线路在实验台上连线，在示波器上调试实验波形。

（4）在国外的留学生在电脑上搭建仿真电路，并展示仿真结果。

最后，将仿真结果与实操结果进行比较、讨论，以便课后提交实验报告。

2020年秋季学期，无法返校的留学生应用Multisim仿真顺利完成了“电子技术”线上虚拟仿真实验，基本达到实验效果。

尽管在疫情防控期间，基于互联网+的线上教学是被动地对传统教学模式进行的一种颠覆性变革，但笔者认为，在疫情常态化防控的背景下，线上线下混合式教学模式将成为国际化教育的一种新常态。

根据留学生教学的特点，将Multisim仿真软件应用在“电工学”课程教学中可以充分利用网络技术和计算机技术将抽象的理论知识可视化、形象化，最大程度地帮助留学生理解课程知识点，更好地激发留学生的学习热情和积极性，从而提升课堂教学效果。同时，Multisim仿真软件突破了传统实验教学模式在时间、地点和实验设备上的限制，利用网络技术，创建一个远程开放的虚拟实验环境，使“电工学实验”由传统的线下教学转为线上教学变得可行，为建设电工学远程虚拟仿真实验平台提供了一种解决方案，有利于提高留学生的综合素质，培养技能型人才。

疫情强制性地带来了对传统教学模式颠覆性的变革。后疫情时代，快速发展的联网技术和现代化的教学方法将会更加深刻地影响和融入到“电工学”教学改革中。