魏偉 張磊 沈陽科技學(xué)院 信息與控制工程系

隨著電子設(shè)計(jì)自動化技術(shù)的突飛猛進(jìn)，Matlab、Altium Designer、PSpice、Multisim 等虛擬仿真軟件已廣泛應(yīng)用于高校教師信息化教學(xué)與實(shí)踐中，成為教師日常教學(xué)的重要手段和方法。

傳統(tǒng)的電路授課主要采用板書與多媒體相結(jié)合，通過知識點(diǎn)的講解及PPT 電路演示進(jìn)行教學(xué)，理論課與實(shí)驗(yàn)課是分離的，沒有結(jié)合生產(chǎn)、生活實(shí)際，這就導(dǎo)致技能訓(xùn)練得不到及時的理論指導(dǎo)，學(xué)生對電路知識及技能的掌握不到位。

虛擬仿真教學(xué)是利用計(jì)算機(jī)硬件及軟件共同模擬出真實(shí)的電路環(huán)境，通過人機(jī)交互設(shè)計(jì)，結(jié)合生活實(shí)際中的電路現(xiàn)象和規(guī)律作為課堂案例，提煉出問題情景，讓學(xué)生如置身真實(shí)環(huán)境般在虛擬環(huán)境中進(jìn)行互動。通過仿真技術(shù)的應(yīng)用加強(qiáng)理論課程與實(shí)際電路間的聯(lián)系，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高解決實(shí)際電路問題的能力，使課堂理論教學(xué)向應(yīng)用型實(shí)踐教學(xué)轉(zhuǎn)變，提升學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。

一、虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)演示功能在理論教學(xué)中的應(yīng)用

《電路》是電氣信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，理論與實(shí)踐結(jié)合緊密，學(xué)生必須對電路的基本原理、基本結(jié)構(gòu)和基本分析方法熟練掌握，才能達(dá)到學(xué)以致用的目的。在直流部分中，對基爾霍夫定律、疊加定理、戴維寧及諾頓定理的掌握尤為重要。在課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中，以實(shí)際問題為驅(qū)動，抽象出具體電路，按照定理分析思路，依托虛擬仿真平臺，采用共同探討電路規(guī)律和現(xiàn)象的教學(xué)新模式，解決學(xué)生聽課過程中的疑問，能夠使師生之間的交流更加便捷，使學(xué)生充分體驗(yàn)電路規(guī)律的認(rèn)知過程。

例如在講解疊加定理時，學(xué)生對功率不能疊加這一注意事項(xiàng)往往帶有疑問。教師授課時也會通過公式推導(dǎo)加以證明，但學(xué)生理解有限。此時可借助虛擬仿真技術(shù)，采用Multisim 仿真軟件進(jìn)行生動說明。如圖1 所示：

圖1 Multisim 仿真示例

該電路中，將兩個電源共同作用的電路分解成電源獨(dú)立作用的分電路。此時分電路中10Ω 電阻產(chǎn)生的功率分量分別為3.6W、10W，其和并不等于原電路中10Ω 處的1.6W。通過仿真軟件，可以直觀地顯示結(jié)果。

此外，當(dāng)電路中存在多個電源時，學(xué)生通常也對電路中電流的實(shí)際流向感到疑惑。此時亦可運(yùn)用仿真軟件EveryCircuit，如圖2 所示，將能流生動地展現(xiàn)在學(xué)生面前，能夠有效的提高教學(xué)效率及教學(xué)質(zhì)量。

圖2 EveryCircuit 仿真示例

二、虛擬仿真技術(shù)的電路設(shè)計(jì)功能在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

高校實(shí)驗(yàn)室中，電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備通常存在設(shè)備老舊、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往以驗(yàn)證性為主，缺乏對學(xué)生自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的考查[3]。同時，實(shí)驗(yàn)中各組件可能互相干擾，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性難以保證，實(shí)驗(yàn)誤差較大。如果學(xué)生電路設(shè)計(jì)的不合理，還會出現(xiàn)儀器損壞等情況，增加設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。

虛擬仿真器件與實(shí)物器件相比有較高的相似度，絕大部分實(shí)物器件均可在元器件模型庫中找到。此時只需要根據(jù)設(shè)計(jì)的電路原理圖，在電路符號庫中輸入相應(yīng)的虛擬元器件，連接后系統(tǒng)會提取模型參數(shù)，自行建立電路方程并進(jìn)行求解。點(diǎn)擊輸出環(huán)節(jié)，如電壓表、示波器、頻率計(jì)等，查看數(shù)值、波形等輸出結(jié)果。若滿足實(shí)驗(yàn)要求，即可在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上連線，提高實(shí)驗(yàn)的成功率，彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)中儀器的不可控因素，同時也是對實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀的驗(yàn)證。

此外，在電子電路課程設(shè)計(jì)中，虛擬仿真技術(shù)也有廣泛的應(yīng)用前景。主要優(yōu)勢在于：第一，可以彌補(bǔ)實(shí)踐設(shè)計(jì)教學(xué)中對硬件的極度依賴，避免實(shí)際電路過流或過壓造成器件的損毀，安全可靠，準(zhǔn)確率高。第二，仿真實(shí)驗(yàn)過程簡潔高效，可隨時更換虛擬元器件，及時排查分析故障，在仿真環(huán)境中進(jìn)行器件修改，簡便易行，效果明顯。第三，仿真結(jié)果可信度較高，減少元器件損耗，降低開發(fā)設(shè)計(jì)成本。

三、《電路》虛擬仿真技術(shù)與超星學(xué)習(xí)通的融合模式

超星學(xué)習(xí)通基于互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時、交互、多媒體遠(yuǎn)程教學(xué)，是一個功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)多媒體通訊平臺。教師可將虛擬仿真課件或微課上傳平臺與學(xué)習(xí)通相融合。

首先，圍繞授課內(nèi)容，直流部分依托基本定律及基本分析方法搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，交流部分以單相及三相電路為主，側(cè)重于波形及數(shù)值的仿真分析。將軟件程序上傳課程平臺，供學(xué)生下載學(xué)習(xí)；其次，在平臺導(dǎo)入基于生活實(shí)際電路模型，學(xué)生課下對電路功能進(jìn)行仿真，師生在平臺上雙向交流，探討問題，改進(jìn)不足，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力與分析能力，促進(jìn)向應(yīng)用型教學(xué)的轉(zhuǎn)型。

四、結(jié)束語

《電路》課程是電氣信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，對學(xué)生工程應(yīng)用能力及創(chuàng)新思維的培養(yǎng)具有關(guān)鍵作用。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到電路教學(xué)中，是現(xiàn)代化教學(xué)的重要手段。通過提煉規(guī)律-上升理論-總結(jié)實(shí)踐的教學(xué)方式，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，可以直觀、生動地展現(xiàn)電路規(guī)律及電路特性，激發(fā)出學(xué)生求知欲和實(shí)踐探索精神，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。