虚拟仿真技术融入“电路分析”课程的教学探索

来源:用户上传      作者:刘义才　张红霞　陈鑫

　　摘 要 “电路分析”课程是机器人工程专业的专业基础课程，具有较强的理论性和实践性，同时教学内容也较为抽象不易理解，但现阶段实验室条件难以满足理论教学的要求。针对此问题，本文从理论课程以及实验课程出发，结合虚拟仿真软件Multisim在电路分析课程中的应用，探索了理论课堂教学，线下虚拟仿真实验与实体实验相结合的课程教学模式。实践结果表明：该课程教学模式能够一定程度上激发学生的学习积极性，加深学生对知识的掌握程度，并且优化实践教学的效果.。
　　关键词 虚拟仿真 电路分析 教学探索
　　中图分类号：G424                                   文獻标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.02.067
　　The Teaching Exploration of Virtual Simulation Technology
　　in the Course of "Circuit Analysis"
　　LIU Yicai， ZHANG Hongxia， CHEN Xin
　　（Department of Mechatronics Engineering， Wuhan Business University， Wuhan， Hubei 430056）
　　Abstract The course of "circuit analysis" is a professional basic course of robotics engineering， which has a strong theoretical and practical nature. At the same time， the teaching content is relatively abstract and difficult to understand， but the current laboratory conditions are difficult to meet the requirements of theoretical teaching. To solve this problem， this paper starts from the theory course and experiment course， combined with the application of Multisim in circuit analysis course， explores the teaching mode of theory classroom teaching， offline virtual simulation experiment and entity experiment. The practical results show that the teaching mode of this course can stimulate students' enthusiasm for learning to a certain extent， deepen students' mastery of knowledge， and optimize the effect of practical teaching.
　　Keywords virtual simulation; circuit analysis; teaching exploration
　　0引言
　　“电路分析”是机器人工程专业的专业基础课程，具有较强的理论性和实践性，同时教学内容也较为抽象不易理解。[1，2]但是，对于在众多高校里，工科院系都要开设电路分析等相关课程，由于班级众多，受限于实验场地以及相应经费等条件的约束，相应的实验设备难从数量得到满足;同时由于实验室设备为了维护方便，所涉及能完成的实验更多的是验证性实验，学生只需按电路图进行连线以及测试，难以开展设计性实验，因此不利于学生创新思维的发展;如果学生对实验原理不甚理解，容易在实验操作过程中，损坏实验设备，导致在规定时间内完成不了实验内容。[3]
　　1基于虚拟仿真技术的电路分析课程教学模式
　　国家在中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）中指出要加快教育信息化的进程，强化信息技术在教学中的应用，提高教师应用信息技术的水平，改进相应的教学模式和方法，提高教学效果。[4]Multisim是美国国家半导体公司推出的一款适用于电子电路虚拟仿真的软件。因此基于此，本课题所提出的教学模式由“理论教学”“虚拟仿真实验”以及“实验室实体验证”三个环节组成，其中虚拟仿真教学贯穿了该模式的所有环节。下面以电路分析课程中的一阶动态电路三要素法结合Multisim虚拟仿真软件来简单介绍该模式的具体实施方案：
　　1.1 理论教学
　　“电路分析”中的一阶动态电路的状态及响应分析是该课程的重点教学内容，但是由于知识内容比较抽象导致学生难以理解透彻。[5-6]因此课堂上首先应针对此部分内容进行理论讲授。
　　图1 一阶动态电路原理图
　　如图1所示电路已处于稳态，时开关S由a切换至b，时电容电压是如何变化的？（设图中）。为了从概念上理解该问题更清晰，采用定性讨论与定量分析相结合来讲授该理论知识点。
　　1.1.1 定性分析
　　时开关S合于电压源给电容C充电。由题意知电路已达稳定，时电压，电容上电荷，电流，开关S合于b， 电源接着再对电容C充电（因）。再看几个特定时刻： 　　（a）+，由换路定律知，;
　　（b），电容上电荷在原有的基础上增多，即，电容电压随之升高，即，电流;
　　（c），又给电容C充满了电。此时，，，显然电容C上电压最终上升到，电流最终下降至0。
　　当开关由a切换到b的过程中，通过以上定性分析，能够让学生知道回路中电压、电流变化的趋势和结果，但是具体如何变化，变化的过程又是如何，必须采用定量分析。
　　1.1.2 定量分析
　　换路后的电路如图1所示。 由图中所设出的各電压、 电流参考方向， 应用各元件上的VCR和KVL， 列写出的方程为
　　（1）
　　通过定性分析得到的初始条件以及求解该线性方程得到输出解，
　　 （2）
　　其中为时间常数。
　　通过理论上分别从定性分析和定量分析两个角度讲解，针对图1和（1）式所对应的一阶RC、RL电路可总结出三要素的公式。虽然从理论讲解的角度而言，该知识点应该是讲授完毕，但是从实际教学来观察，有相当一部分同学对如图1所示的电压变化过程，时间常数等仍然不知甚解。
　　1.2 虚拟仿真实验
　　为了更加形象化这部分知识，需采用实验结果来说明，但是在课堂上针对每个知识点在实验室去完成实验验证显然是不够实际的，因此最好的办法就是在课堂理论讲授知识的基础上穿插着基于教师机的虚拟仿真实验，这样会使学生从感性认识上升到理性认识。因此本知识点在图1的基础上，结合Multisim虚拟仿真软件现场及时的针对该部分内容进行仿真验证，以期获得较好地教学效果。
　　第一步：结合图1在Multisim虚拟仿真软件环境中搭建电路，依据三要素方法，首先通过虚拟万用表测量电容两端的初始电压值。
　　第二步：测量开关由a切换到b以后的稳态值。
　　第三步：通过虚拟示波器观察当开关由a切换到b的过程中，电容两端电压的变化过程，并通过测量曲线获得时间常数：当时，结合（2）式，利用示波器两个光标T1和T2可测得当开关切换一瞬间到电容两端电压上升到7.436V时所需要的时间为101.146ms;理论计算值为ms，两者基本相吻合。
　　因此，通过虚拟仿真软件验证了理论计算结果的正确性，同时通过曲线变化更加形象了将一阶动态系统电压的变化过程呈现出来了，这将会大大加深学生对知识点的掌握程度。
　　1.3 实验室实体验证
　　对课堂上的理论知识，在虚拟仿真技术的基础上，进一步的加上实验室实体验证，可有效地促进学生的动手能力。
　　在实验室工作台上，学生在做电路实验的时候，需要学生自主连接电路，并采用仪器设备获取数据，由于实验条件有限和实验师资不足的限制，很难做到一对一进行辅导。因此在实验室动手操作之前，课下如果学生采用虚拟仿真软件按照实验指导书中的要求完成仿真的话，将会在有限的时间内，在实验室工作台上的操作效率大大提高。
　　2基于虚拟仿真技术课程教学模式评价
　　为了获取基于Multisim虚拟仿真软件的课程教学模式评价，在我院机器人工程专业全班76人中发放了调查问卷，如表1所示。通过反馈调查，采用该教学模式总体课堂教学效果和实验效果较好。
　　3结束语
　　本文将虚拟仿真技术融入“电路分析”课程教学进行了初步探索。针对“电路分析”课程的特点，以及实验条件和师资缺乏的约束，通过引入Multisim虚拟仿真软件贯彻整个理论和实践教学环节，更加形象的表述了知识的重难点，获得了较好的教学效果。在以后的教学过程中，我们将会进一步的探索和研究如何将开放性的创新性和设计性实验，以及课程设计与虚拟仿真软件相结合，同时利用有限的实验室资源条件进一步的培养学生的创新能力。
　　 基金支持：本文系武汉商学院教育教学改革研究项目——虚拟仿真技术的电工电子系列课程教学方案研究（课题编号：2018N027）的研究成果
　　参考文献
　　[1] 韩新风.Multisim软件在电路分析课程教学中的应用[J].吉首大学学报（自然科学版），2018.39（06）：83-90.
　　[2] 李娟娟，高友福，谢宗林.Multisim在“电路分析”项目教学中的探索与实践[J].中国电力教育，2014（30）：39-40.
　　[3] 李媛.电路分析课程的教学实践改革[J].新课程研究，2013（08）：7-9.
　　[4] 郭婷，杨树国，江永亨等.虚拟仿真实验教学项目建设与应用研究[J].实验技术与管理，2019.36（10）：215-220.
　　[5] 陈少航，卢望.仿真技术在“电路分析基础”教学中的应用与实践[J].教育观察，2015（4）：77.
　　[6] 冯维婷.Multisim在二阶电路教学中的应用[J].西安邮电学院学报，2011（S1）：97-99.
　　[7] 李如琦，陈军灵.MultiSim仿真软件在电工电子实验教学中的应用[J].广西大学学报（哲学社会科学版），2005.27（s1）：85-87.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15186792.htm