基于Multisim 的测控电路线上线下混合式实验教学设计与实践＊

平顶山学院电气与机械工程学院 杨丽 薛亚许 姬鹏飞 王浩然

根据疫情防控期间“停课不停学”要求，为确保实验教学顺利有效开展，引入Multisim 仿真软件，从实验预习、实验教学实施、实验教学考核、实验报告撰写等4个方面对测控电路实验进行线上线下混合式教学方案设计，并展开实施。以电压比较器实验项目为例对其线上教学实施环节进行重点设计，分别对过零比较器、滞回比较器、窗口比较器三种电压比较器进行电路绘制和仿真分析。通过对电路进行运行和调试，得出仿真结果与实验原理一致。实践结果表明：对于测控电路实验，引入仿真软件，采用线上线下混合式教学，具有一定的可行性，能够激发学生的积极主动性，有助于培养学生分析问题和解决问题的能力；同时，整个实验过程无形融入的工匠精神对履行“立德树人”有一定参考意义。

作为测控技术与仪器专业的一门重要课程，测控电路不仅是电子技术课程的深化与提高，更重要的是实现电子技术与测量、控制之间的互通[1]。根据精度、快速响应、灵活性、可靠性的要求，测控电路主要分为信号调理电路和数字与逻辑控制电路等，其中信号调理电路包括放大电路、信号的调制、解调与分离、运算电路、转换电路等。该课程实践性很强，对学生的综合运用能力要求较高，不仅要学好理论，同时，还要具有对一些常用的电子仪器、调试电路、测试电路等进行合理选择和故障排查的能力。

测控电路实验的开设为该课程的学习提供了一定的支持，但是，随着疫情的发展，往常按部就班的课堂教学充满了不确定性，需要随时做好线上线下教学[2,3]的无缝衔接准备。对于师生来说，线下教学比较常规，但是线上教学却存在各种未知因素，时刻挑战着教学的有效开展。如何利用网络资源合理有效地开展线上教学是很多教师都必须面临和思考的一个问题。在实验教学层面，学生无法到实验室进行实验，会导致部分实验内容流于表面，形同虚设等问题。在此，笔者借助Multisim 仿真软件，对测控电路的实验项目进行线上线下混合式教学设计并进行实施，获得了较好的实验效果。

1 线上线下混合式实验教学方案设计

1.1 线下实验预习

在线上实验教学的情况下，学生的课前预习直接影响实验进度的开展，因此，为保证教学质量，学生需要提前预习实验所用软件、实验内容等。针对实验所用软件及其使用教程，笔者事先录制相关视频并上传至学习通，学生需要提前安装Multisim 软件[4,5]，并观看视频，掌握该软件的基本功能，同时，针对接下来要开展的实验项目进行实验目的、实验原理、实验步骤、实验视频等进行预习。该环节内容学生是否完成以及完成度如何通过问卷调查进行评价。

1.2 线上实验教学实施

线上教学活动采用钉钉会议进行开展，考虑到绘制电路所需时间，教师需要对实验内容进行精讲留白，简明扼要讲解实验重难点，并对实验原理进行分析。在采用Multisim 软件绘制电路时，教导学生需要耐心，切不可急躁，实验结果很多时候不是一蹴而就，需要认真调试及查找问题，具体仿真调试过程可参考如图1 所示的进行。

图1 Multisim 软件仿真流程Fig.1 Multisim software simulation process

当所绘制电路调试不出想要的结果时，要想办法去解决问题，可以从电路的正确绘制或者元器件的参数设置等方面进行查看，切不可半途而废。这种工匠精神的融入无形中锻炼了学生的毅力，有助于学生严谨态度及创新意识的培养[6]。

1.3 线上实验教学考核

线上教学过程中，讲解完毕后要对全程进行监控，学生需要按照实验任务和要求进行实验电路绘制、电路仿真与调试，对于仿真结果要进行结果分析和数据记录，同时，将对应的波形绘制出来。这一过程，教师要将一些共性问题进行及时讲解，同时，要求学生出现问题要及时解决。整个线上教学过程要根据考评要求并结合学生的具体表现当堂进行考核。

1.4 线下实验报告撰写

实验结束后，需要根据实验记录，认真撰写实验报告，实验报告可以是电子版也可以是纸质版，撰写完成后，要在规定时间内上交。

2 实验案例

以电压比较器为例展开线上线下混合式实验教学。电压比较器是用来鉴别和比较两个输入电压大小的电路，比较器输入的是模拟量，输出的是数字量。具体的教学方案设计如上所述，这里主要针对线上实验教学实施展开说明。

2.1 电路绘制

电压比较器主要分为电平比较器、滞回比较器和窗口比较器。其中电平比较器是最基本的比较器，当一端输入电压为零时，就变成另一端电压与零进行比较，这种比较器又称过零比较器。借助Multisim 软件绘制过零比较器电路，如图2 所示。

图2 过零比较器Fig.2 Zero-crossing comparator

绘制过程中以放大器为中心，以信号发生器产生的信号作为过零比较器的输入，过零比较器的输出用双踪示波器观察。

函数信号发生器“XFG1”可以产生方波、正弦波、锯齿波3 种波形，其“+”和“-”对应不同的极性，“COM”为共地端。

放大器反相输入端经电阻R1 接到函数信号发生器“XFG1”的“+”极；放大器同相输入端直接接地；放大器输出端接双通道示波器“XSC1”的通道A。为比较过零比较器输入和输出，将输入信号接到通道B。同时，放大器所在模块接±15V 直流电源。此时作电压比较器用的放大器工作在非线性状态，满足“虚断”，但不再满足“虚短”。

同理，可依次绘制出滞回比较器电路和窗口比较器电路，分别如图3、图4 所示。

图3 滞回比较器Fig.3 Hysteretic comparator

图4 窗口比较器Fig.4 Window comparator

2.2 仿真分析

对于过零比较器，当输入信号为频率50Hz，幅值10V 的正弦波时，通过运行软件可得到仿真波形如图5所示。其中，“1”为输入波形，“2”为输出波形，该编号对于滞回比较器和窗口比较器仿真波形同样适用。

图5 过零比较器仿真波形Fig.5 Zero-crossing comparator simulation waveform

由图5 可知，当输入电压大于等于0时，输出一个低电位；当输入电压小于0时，输出会发生偏转，输出一个高电位。该结果与过零比较器原理一致。

通过对过零比较器进行电路绘制和仿真分析可以看出：过零比较器结构简单，对电压反应较灵敏。但是如果当输入信号叠加其他干扰信号时，根据过零比较器的原理特点易导致其抗干扰能力差，容易产生“振铃”现象，此处学生可以自由加入一定的干扰信号进行验证。

同理，对滞回比较器电路和窗口比较器电路进行仿真，波形分别如图6、图7 所示。通过分析波形，可以分别对滞回比较器和窗口比较器原理进行验证。同样，在整个仿真过程中，学生可以根据需要设计不同的电路模型，进一步去理解电压比较器原理。

图6 滞回比较器仿真波形Fig.6 Hysteretic comparator simulation waveform

图7 窗口比较器仿真波形Fig.7 Window comparator simulation waveform

3 结语

实验室受设备台套数、仪器陈旧老化等限制，同时还经常面临设备维修等问题。引入Multisim 软件进行线上线下混合式教学能够有效避免这一问题，并且在实验内容多样性、元器件参数灵活修改等方面具有明显的优势，同时，学生从头到尾独立完成整个实验，一定程度上有利于其成就感获得提高。但是，仿真实验也存在着缺少互动性、监管力度不够、网络拥挤、卡顿甚至断网等问题。疫情防控期间，如何更好地运用信息技术提高线上线下混合式实验教学质量，接下来还需要进一步研究。

引用

[1] 李醒飞.测控电路(第5版)[M].北京:机械工业出版社,2021.

[2] 焦建利,周晓清,陈泽璇.疫情防控背景下“停课不停学”在线教学案例研究[J].中国电化教育,2020(3):106-113.

[3] 谢幼如,邱艺,黄瑜玲,等.疫情防控期间“停课不停学”在线教学方式的特征、问题与创新[J].电化教育研究,2020,41(3):20-28.

[4] 冯成涛,储开斌,郭俊俊,等.基于Multisim技术的电子技术课程设计改革[J].实验室科学,2020,23(3):95-99.

[5] 任君玉.基于Multisim的模拟电子技术实验教学改革[J].实验科学与技术,2022,20(3):57-63.

[6] 刘功晓,邵鸿翔.电工电子实训课程思政的探索与实践[J].中国设备工程,2022(4):240-241.