电工电子学仿真与实践教学探究

2023-05-30高路王建明孟瑞华

电脑知识与技术 2023年1期

高路　王建明　孟瑞华

摘要：为了使理工科专业的学生对电工电子学理论知识有更加深入的理解，契合产学研用相结合的教学理念，切实提高实验教学的水平和质量，联合研制了符合现有教学内容的电工电子实验台，推出了与实验内容相匹配的虚拟仿真实验软件。电工电子实验台包含多元化的实验模块和专业测量仪表，操作性、安全性、功能性得到显著提升，相匹配的仿真软件解决了学生理论知识掌握不牢、实验目的不清等问题。相比于传统的实验教学，实践广度和深度得到提升，学生综合竞争能力得到提高。

关键词：电工电子学；实验台；虚拟仿真软件；教学质量；实验教学

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）01-0149-02

1 引言

电工电子学是高等院校理工科专业开放的基础必修课之一，阐述了电工电子技术必要的基本理论、基本知识和基本技能[1-2]。通过本课程的学习，学生将了解电路基本概念和基本定律、电路的暂态分析、单相正弦交流电路、半导体三极管及交流放大电路、集成运算放大器及其应用、数字组合逻辑电路和时序逻辑电路等。学完本课程，学生基于理论电学知识，将具备一定的电路分析能力，通过实验教学，获得基本电路问题解决能力，为后续的专业课程学习和工程技术探索打下堅实的基础。

高等院校开展电工电子学教学工作的同时，开展了与理论教学内容相匹配的实验课程[3]。从验证和探索两个维度展开，从浅入深帮助学生掌握电工电子技术的基本概念和技能，通过实践弥补教学工作中的问题与不足，支撑教学工作高效开展，优化教学模式，是高等院校卓越工程师培养计划的重要一环，是培养符合时代发展的重要人才的重要手段。但电工电子学在现代时代背景下，存在该课程的特殊性，其知识点繁多，应用性强，面向专业广。材料、化学、环境等非电子信息相关专业在进行相关电工电子实验时多表现出无从下手、不知所措等现象[4]，理论知识和实践操作存在割裂问题，同时无法接触符合时代发展的实验设备和仿真环境，脱离社会产业需求。针对实验教学中存在的问题与不足，结合高等院校对理工科专业的电工电子学教学要求，联合研制了专用电工台以及配套的仿真实验软件[5]。

虽然在国内很多高校已经开设了电子相关的仿真课程，但基本都是在电子信息相关专业的专业必修课课程设计中展开，如TI-Tina、Proteus等综合性仿真开发软件[6-8]，对前期学生在基础课中的学习没有帮助，且学生在初始学习阶段缺乏结合实验内容的仿真开发能力，仍然无法填补学习初期理论与实践的沟壑。所研制的专用电工台根据具体教学内容，结合不同教学单元设置了模块化实验内容，仪表测量模式和测量精度符合现代工业技术需求，专用电工台具备操作简易、专业性强、测量手段先进等优势。配套虚拟仿真软件可满足学生实验前的预习准备需求，作为理论和实验的有效衔接手段，仿真环境简约易上手，仿真结果易观察，对非电子信息专业学生友好，同时也具备为专业性强的学生提供创新实验和探索平台的能力。通过专用电工台和仿真软件的有效结合，可解决长期存在的理论实践割裂问题。

“新工科”背景下[9-11]，结合专用实验台和配套仿真软件，层次化实验内容，从理论学习、仿真验证、实践操作展开，引导学生深入理解电工电子学实验内容，同时支撑电工电子学教学，培养学生实践和创新能力，满足社会需求。

2 电工电子学虚拟仿真实验介绍

电工电子技术原理虚拟现实仿真软件，是为电工电子学实验装置配套的虚拟现实仿真软件，将高效支持“电工电子学”的教学实验。系统提供界面友好、功能丰富的操作软件，在软件应用中，除了满足一般的软件仿真需要外，更加贴合实际，将真实仪表误差工作范围及使用方法代入软件，使学生更快更好地掌握仪器、仪表的使用。

电工电子技术原理虚拟现实仿真软件基于NI公司推出的LabVIEW和Multism进行开发设计。LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境，广泛地应用于工业界、学术界和研究所，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件[12]。该软件集成了多元化的通信协议，且内置了丰富的标准软件函数库，其图形化的编程方式可以方便用户快捷建立自己的虚拟仪器。电工电子技术原理虚拟现实仿真软件基于LabVIEW实现了现代工业电源及仪表，电源插件可提供实验所需0～30V直流电压源，0～200mA电流源、0～20Vpp/0～1MHz方波、正弦波、三角波信号源、0～430V交流电源，电源自带仪表可直接读数，仪表插件包括，四档200mV～200V直流电压表、四档2mA～2A直流电流表、五档200mV～750V智能直流电压表、五档2mA～3A智能直流电流表、500V交流电压表，3A交流电流表，1500VA交流功率及功率因数表，1M频率计，部分虚拟测量仪表如图1所示。

基于Multisim电路仿真软件构建了实验所需的基本电路，Multisim提炼了SPICE模型仿真的复杂内容，能够实现器件建模及仿真、电路的构建及仿真以及系统的组成及仿真[13]。Multisim嵌入LabVIEW设计的虚拟测量仪表，结合不同教学单元设置的模块化实验内容，构建了虚拟仿真环境，供学生进行调试和观察。实验内容包含线性与非线性元件伏安特性的测验、基尔霍夫定律的验证、线性电路叠加性和齐次性验证、戴维南定理和诺顿定理的验证、最大功率传输条件的研究、二阶动态电路响应的研究等直流实验内容，以及三相电路电压电流的测量、功率因数的测试等交流实验内容。

图2为电工电子技术原理虚拟现实仿真软件中的线性与非线性元件伏安特性的测验单元，学生根据实验内容，结合该仿真环境观察实验结果，与理论学习内容进行验证。实验环境已搭建实验电路及虚拟仪器，极大化地降低了仿真软件的入门门槛，对非电子信息类专业学生友好，且虚拟仪器设计贴合实际，为专用电工台实验做好衔接准备工作。而具备探索精神的学生可以通过该单元仿真进行自由修改，验证所学所想。电工电子技术原理虚拟现实仿真软件的易操作性和可探索性兼备。

3 电工电子学专用电工台介绍

电工电子学专用电工台是为了满足学生理论知识的验证和探索需求。电工电子学专用电工台设计之初，在满足理论教学内容的同时，考虑了设备的可操作性、多功能性、先进性以及安全性，电工台如图3所示。

可操作性是极大化地简略了多余的连接元件、安插元件、更换电路等操作，在面板上构建了不同教学单元的基本实验电路，对基本电阻、电容等常规元件固化处理，预留了关键连接节点、电气测量节点，为学生节省了大量的拆装时间，突出实验效率，将时间更多地留给学生调试、观察和思考；多功能性和先进性是采用了符合时代发展的现代化工业仪表，如专用电工台内嵌RIGOL公司开发的DG812型集函数发生器、任意波形发生器、噪声发生器、脉冲发生器、谐波发生器、模拟/数字调制器、频率计等功能于一身的多功能信号发生器，以多功能、高性能、触摸屏操作为特点。可调电阻选用的数字式可调电阻，相比于传统的机械式可调电阻，具有可断开、调节精度高、易调节等优势。交流电路参数测量仪表为专用工业多功能仪表，

具有三相交流电流、电压、功率、功率因数等测试功能；安全性是基于电气安全和设备安全，电工电子学实验存在该学科的特殊性，强弱电混合，存在一定的安全隐患，针对电气安全，对连接线头、连接节点、电气测量节点都做了外延绝缘措施，对灯泡等外露元件制作了有机玻璃罩，大大降低学生误触电气节点的风险，同时在关键电气节点上设置了不同阈值的保险丝，降低了设备、元件损毁的风险和实验损耗。

4 结论

电工电子学实验教学面向理工科专业开展，理论知识和实验内容的割裂现象大大降低了实验课的教学效果。电工电子学虚拟仿真软件匹配实验教学内容，衔接实验设备和实验内容，为学生从理论到实践的过渡提供了有效支撑，在操作性和探索性上得到均衡。专用电工台功能性、专业性、先进性符合时代发展需求，满足学生验证和探索双维度的需求。“新工科”背景下，电工电子学实验教学从理论到仿真到实践层次化开展，为培育卓越工程师打下坚实的基础。

参考文献：

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