基于Multisim平台的电工学课程教学研究

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　　摘  要 为了提高电工学实践教学效率和学生的实践能力，提出将Multisim虚拟仿真实验与实体实验并行的电工学实验教学方法，并给出综合实验的实例分析与应用。通过对电工学实验特点的分析，根据不同实验要求进行实体实验与仿真实验，以增强学生对于电工学内容的认识与理解，同时提高学生分析与设计实际电路的能力。
　　关键词 电工学;Multisim;实验室;虚拟仿真实验;实体实验
　　中图分类号：TP391.9    文献标识码：B
　　文章编号：1671-489X（2020）08-0050-05
　　Abstract In order to improve the teaching effect and students’ prac-tical ability of electrotechnics， the experimental teaching method of electrotechnics， which combines Multisim virtual simulation experi-ment with physical experiment， is put forward， and the example ana-lysis and application of comprehensive experiment are given. Throughthe analysis of the characteristics of the electrical， the entity experi-ment and simulation experiment are carried out according to diffe-rent experimental requirements， to enhance students’ understanding of the Electrotechnics content， and to cultivate students’ ability to analyze and design practical circuits.
　　Key words electrotechnics; Multisim; lab; virtual simulation experi-ment; entity experiment
　　1 引言
　　隨着社会信息化的迅速发展，教育教学过程中对于信息化技术的需求越来越大，如何将虚拟仿真实验技术更好地应用于实际教学过程中，进一步加强教学改革，使教育教学顺应教育信息化的发展趋势和现实发展需要，是广大教学工作者需要深入探索实践的问题。当前，国内外许多高校已经开发了虚拟仿真实验项目，建立了相应的虚拟仿真实验室[1-2]。
　　电工学是研究电磁现象在工程中应用的技术科学，是工科各类非电专业必修的一门实践性很强的技术基础课。该课程内容综合性强，对工科学生综合素质的提高以及创新能力的培养至关重要。各类电路的实验验证对于促进学生在复杂的理论中深入理解和掌握其根本原理起着非常重要的作用，也可以在一定程度上提高学生的实际动手操作能力，同时在此基础上进一步提高学生对应用电路的设计和分析能力。为了适应电工学课程对于实验的各种要求，提出将Multisim虚拟仿真实验与实体实验并行的电工学实验教学方法，形成虚实结合的实验教学模式，实现优势互补的实验教学目标，并给出实例进行具体分析[3]。
　　2 现有电工学实验教学中存在的问题
　　当前大多数院校给学生开设的电工学实验，都是依靠实验室提供的实验台设备，让学生在学习完对应的理论内容后，在规定的时间里，根据规定的实验指导书的内容，在指导教师的指导下完成实验。在近几年的电工学实验教学中发现，这种教学模式可以在一定程度上提高学生的实际动手操作能力，但也存在很多问题[4]。
　　1）一般院校的实验中心所引入的电工学实验设备都是模块化设备，这种实验室仪器的操作只是供学生做一些验证性实验或简单的设计性实验，对于一些综合性设计实验根本无法实现，这就导致达不到对学生能力培养的期望。
　　2）实验台上的实验只能在规定的时间按照规定的内容去完成，对于稍复杂一些的实验，线路的检查和调试的时间需求不能够充分满足。一般性验证性实验对于学生而言，能够在一定程度上提高动手能力，并加深对理论知识的理解和掌握，但不能满足学生个性化学习要求。同时，内容的局限性也限制了学生兴趣的培养，那么创新更无从谈起。
　　除此之外，对于作为初学者的学生来说，实验室实验必然会造成元器件的损毁。同时，在电工实验中，强电与弱电并存，或多或少有一定的安全问题……
　　可以看出，对于电工学实验教学来说，传统的单一实验室平台实验教学方法与当今社会要求的培养创新型、应用型人才的教学理念不符，不利于工科学生综合素质的提高以及创新能力的培养。那么，如何激发学生对于电工学实践环节的兴趣，有效提高实验教学效率和学生的实践能力，就成为该课程亟待解决的问题。
　　3 Multisim虚拟仿真实验和实体实验结合的教学模式
　　Multisim虚拟仿真实验特点  现代计算机技术和虚拟技术的发展，使很多知识的学习开放化、自动化。Multisim
　　就是一款用于开发和仿真的软件，不仅仅局限于各类电路的虚拟仿真，而且在LabVIEW虚拟仪器、单片机仿真等技术方面有许多创新和提高。Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术（LabVIEW）可以方便地将抽象的理论知识用计算机仿真真实地再现出来，可以极大地提高学生的学习热情和积极性，真正做到变被动学习为主动学习。Multisim虚拟仿真实验具备以下特点[5]。
　　1）无局限性，随时随地可以使用。Multisim是虚拟仿真实验平台，实验人员可以根据自己的要求做任意相关实验，包括综合性实验、研究型实验、设计型实验等。同时，仿真实验平台仅仅是一个软件平台，对于学生来说，可以随时随地进行自己的实验。这样既可以满足学生自由分配时间的需求，又可以发挥学生的主观能动性，完成任何层次的实验。 　　2）软件调试方便，维护方便。电路本身就是由很多元器件和很多连线形成的，学生作为初学者，在做实验的过程中难免会出现很多错误。在虚拟仿真实验平台上完成实验时，学生可以随时发现问题，随时更改线路的连接形式，删除或增加元器件、修改参数，调试过程中也可以根据调试结果随时更改线路，最终得出最优方案，非常方便。
　　3）安全性好，不消耗实验器材。实验过程既是一个提高动手能力和实际操作能力的途径，也是一个摸索的过程和练手的过程。学生作为初学者，在练的过程中提高自己的能力的同时，难免会出现这样那样的错误。而虚拟平台对于这些错误会实时提示，并很明显地标记出来，既能够提示实验人员正确操作方法，又不会出现仪器损毁的情况，对学生来说保证了安全性，对实验室来说不会出现仪器损耗，大大减少了经费开支。
　　4）可以使用一些实验室不常见的元件。一般情况下，实验室平台主要用于满足学生的基本实验，对于一些综合性实验或提高学生创新能力的设计型实验来说，有一些不常用的元件就没有，造成实验的局限性。而虚拟平台提供了非常完整的元件库，能够满足各种类型的实验需求，使实验者灵活选用各种元件，使实验得到一个最佳效果。
　　虽然Multisim虚拟仿真实验具备很多实验室硬件实验所不能实现的优点，但单一的仿真实验由于其电路中元件和操作环境的理想化，使学生对实际的操作认识不够深刻，实际动手能力匮乏，容易导致在设计过程中与实物脱节，同样不能达到从根本上提高实践能力的目的。
　　Multisim虚拟仿真实验与实体实验并行的教学模式  现代科学技术和工业的发展是基本理论研究、应用研究和技术开发紧密结合的过程。这就要求学生在学习电工学课程基本理论知识的基础上，能够将其应用到实际设计过程中。众所周知，实体实验室的实验台都是针对课本中的一些比较重要的理论而开发的，非常有必要让学生按照实验要求动手去进行操作。但是实验室实验一般都是根据教材需求设置的一些常规性实验，而为了提高学生的创新能力，在学习完整个课程之后，还应该做一些综合性实验，或针对某一个项目课题进行一些设计或仿真，常规实验室对于这种需求将无法满足。在这种情况下就需要采用Multisim软件进行虚拟仿真实验。因此，对于不同类型的实验应该灵活地采用不同的方法进行，才能够得到最佳的效果。
　　1）基礎实验。戴维宁定理、单管放大、集成运放、编码器、译码器等内容都是电工学课本中要求学生必须掌握的内容，这些内容的相关实验，实验室的实验台都很完善。对于这些实验，可以先在课堂上用Multisim软件进行虚拟仿真，然后将仿真过程以及仿真结果结合课堂理论教学，增进学生对于基本理论的掌握和理解，为下一步的实验室实际操作打下坚实的理论基础，再在实验室平台上进一步进行实操，使学生掌握常用的电子仪表、电子仪器的使用方法，并能够按照实验要求完成电路的搭建、实验数据的读取、实验波形和曲线的结果分析等内容，从而使学生对于理论知识的掌握与实践能力的提高都大大增强[6-7]。
　　2）综合性、设计型实验。对于整个电工学而言，可以将其分成三大部分内容，包括基本电路部分、模拟电路部分和数字电路部分。每学完一部分内容，可以布置相关内容的综合性、设计型实验，这些综合性、设计型实验应以总结对应部分内容以及提高学生设计能力为目的。由于实验室实验设备本身和实验室开放情况等各方面的限制，对于这些综合性、设计型实验，在给出实验目的和实验内容的情况下，从确定设计思路，到一步一步搭起每个模块的实验电路，最后到搭起整个实验电路，包括各个环节的验证调试等过程，都在实验室完成是不现实的。一方面，对于完成实验的最佳设计思路，实验台不一定能够提供所有可用的最优元器件;另一方面，直接在基本设计思路的指导下进行连线操作，必然会出现很多隐患，由于接线过程中线路复杂而出现错误接线，从而导致反复检查修正，甚至出现烧毁电气元件的情况，等等。同时，这种由多个模块组成的综合性实验，所要求的时间和场地是具有连续性的，不能由于其他实验而中断。
　　那么，对于这些综合性、设计型实验，完全可以在实体实验前用Multisim软件进行虚拟仿真，既可以避免以上情况的产生，还可以让学生灵活快速地根据仿真结果，优化自己的设计思路，最终找出最优设计方案。得到仿真结果后，再以实验室实验台为基础，有目的性地对于综合性实验的部分过程或整个实验电路进行实操。
　　总之，将仿真实验和实体实验并行进入课堂教学与实验教学过程中，才能使学生对于电工学课程的学习更加完善，才能加强学生的创造性思维方式的培养，才能更进一步促进学生动手实践和创新能力的提高。课堂理论教学、仿真实验和实体实验三者相辅相成、缺一不可。
　　4 综合实验案例分析
　　下面以数字时间记录仪仿真电路综合性实验为例，介绍实验过程。
　　实验目的：设计一个数字时间记录仪。
　　实验要求：要求数字时间记录仪能够完整、准确地显示时、分、秒时间信息;要实现1 Hz的秒计数;同时实现校时功能。
　　首先，确定基本设计方案，并在Multisim环境下实现本实验的基本过程。用六个数码管完整地显示时分秒信息;用一个由两个十进制计数器串联，加上必要的反馈置零电路组成的十二进制计数器来实现时的计时;用两个由十进制和六进制的计数器串联组成的六—十进制计数器分别实现分、秒的计时;同时实现校时功能，需要分别对时分秒的校时电路;要实现1 Hz的秒计数，可以由晶体振荡器分频后提供，也可以由555定时来产生脉冲，并分频为1 Hz后提供;校时电路可以用单刀双掷开关切换计数功能与校时功能来实现。该数字时间记录仪将秒计数器的进位端连接到分计数器的时间记录仪信号输入端，将分计数器的输出进位端连接到小时计数器的时间记录仪信号输入端，显示数码管连接到计数器的计数输出端，校时电路与各计数器的正常时间记录仪信号通过单刀双掷开关选择后，接到计数器的时间记录仪端。完整的数字时间记录仪仿真电路如图1所示。 　　由于数字时间记录仪电路比较复杂，因此将单个功能的实现分别做成子电路，然后直接把设计好的电路复制到子电路编辑窗口中，把需要与外界连接的引脚引出来，就可以直接与主电路其他部分连接，从而实现其功能。在图1所示完整数字时间记录仪仿真电路中，12（SC2）为十二进制计数器子电路，实现对于小时显示的进位功能，其原电路如图2所示;CLOCK（SC3）为分频器子电路，实现将1 kHz信号分频为1 Hz信号，其原电路如图3所示;60（分）和60（秒）为两个六—十进制计数器子电路，分别实现控制分和秒的显示，其原电路为如图4所示的74LS161构成的六—十进制计数器电路。
　　为了实现各个分功能的电路能够有效地连接到一起，均需要将原电路设置成子电路的形式，然后放入总电路中实现连接。本文以六—十进制计数器原电路（图4）和子电路（图5）为例，介绍如何将原电路转换成子电路形式，以便于实现总电路的连接。从图4和图5的比较可以看出，只要有了原电路，对应的子电路设计过程很简单，只需要将设计好的功能电路复制到子电路编辑窗口中，把需要与外界连接的引脚引出来，就可以与主电路的其他部分相连接。用同样的方法可以把分频器原电路、十二进制计数器原电路也复制到子电路编辑窗口中，再把需要与外界连接的引脚引出来，接入主电路即可。文中只给出分频器子电路、十二进制计数器原电路图，如图2和图3所示，其子电路图示不再重复绘制。
　　至此为止，完成Multisim数字时间记录仪的虚拟仿真实验电路的设计。在完成虚拟数字时间记录仪的设计及仿真后，再根据实际情况选择是否在实体实验平台上做整体实验或者部分模块实验，就更可靠更方便了。
　　5 结语
　　在电工学传统的实验室实验教学的基础上，开展Multi-
　　sim虚拟仿真实验与实体实验并行的实验教学模式，将理论设计与分析、实体实验现实与交互式设计与仿真相结合，完善电工学现有的实验教学体系，提高实验教学水平和教学质量，同时激发学生的实验创新能力和综合素质，同时为实验室教学模式提供一种新思路。在电工学实验教学过程中，如何进一步改善和实践虚拟仿真实验与实体实验相结合的教学方法，真正实现对于电工学实验教学的最佳教学效果，进一步提高实验教学质量，这无疑对整个电工学实验教学质量的提高有着积极意义。
　　参考文献
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