試論仿真實驗在“電路”課程理論教學中的應用

劉坤

摘 要：本文主要對在電路課程理論教學中應用仿真實驗的作用進行了研究，通過相關的實踐研究表明，將仿真實驗引入電路課程理論教學中，能夠讓教學效果提高一個層次，并調動學生對學習的熱情，不斷提高學生的學習能力和解決問題的能力，具有非常重要的作用。

關鍵詞：仿真實驗；電路課程；理論教學；應用

電路課程屬于高等院校中電氣與電子信息專業(yè)一門基礎性必修專業(yè)課程，在實際電氣與電子信息專業(yè)教學中，電路課程有著非常關鍵的作用，其不僅擁有抽象的理論分析，同時也有比較形象的實際應用，電路理論深入電能產(chǎn)生、傳輸以及應用的相關方面。該類課程的邏輯性較為嚴密，且涉及到的物理概念較多，與實際生活息息相關，電路課程的培養(yǎng)目標不僅要求學生深入掌握相關的原理知識，還需要學生擁有實際操作的能力所以在電路課程理論教學中積極應用仿真實驗是一項非常重要的教學新方法。

1.將仿真實驗應用于電路課程教學中的意義

一般情況下，傳統(tǒng)的電路課程教學模式中的理論教學與實驗教學相互分開，兩者相互獨立，理論教學只是教師對理論知識進行講解，演算例題，并推導公式，這樣傳統(tǒng)的教學模式往往比較枯燥，會讓學生失去對學習的興趣，并且一些基礎較差，理解能力不強的學生可能跟不上老師的腳步，降低了課堂教學的效率，所以在積極使用仿真實驗教學方法非?？煽?，且能帶來不錯的效果。市場經(jīng)濟在不斷發(fā)展，社會發(fā)展對技術性人員的綜合素質要求不斷提高，所以技術人員的理論知識不僅要非常扎實，同時也要熟練使用計算機等先進設備開展相應的工作。在電路課程教學中積極引入計算機仿真軟件，緊密結合理論教學和虛擬的仿真實驗，能夠將抽象的理論知識變得更加具體，也讓學生容易理解教學的知識點，學生也能夠學習到計算機技術，從而滿足社會發(fā)展的需要。

仿真實驗將計算機人機交互、圖形動畫以及智能化功能積極利用起來，并且讓學生不會受到時間和空間的限制，讓學生能夠隨時隨地練習，而且仿真實驗中還可以通過設置計算機的故障狀態(tài)等環(huán)境，將學生的思想解放，幫助學生形成創(chuàng)新性的思維。比如仿真三相電路，可以對在一定條件下的相線電壓、電流的幅值等進行分析，在軟件中設置需要研究的工作情況，能讓學生借助軟件對其進行更加全面的分析，而且應用仿真實驗還不必擔心出現(xiàn)嚴重的安全事故，具有一定的安全性。

2.在電路課程理論教學中使用的仿真軟件研究

計算機網(wǎng)絡技術不斷進步，Tina Pro、PSPICE以及ProtelDXP等各種電路仿真軟件出現(xiàn)，其還隨著社會的發(fā)展在不斷升級，會擁有更加全面的功能，其不僅能夠錄入圖形的電路，而且還能分層進行管理。目前的高校與企業(yè)在發(fā)展中一般使用的軟件為PSPICE軟件，由于其繪制電路圖形以及模擬電路的功能相對比較強大，并且仿真的速度較快，具有較為準確的仿真效果，操作步驟相對比較簡單，因此得到了比較廣泛的應用，其不僅能夠在電路分析和優(yōu)化設計中應用，還能在高校中進行計算機輔助教學，具有非常重要的作用和意義。

3.電路課程理論教學中如何應用仿真實驗

在實際理論教學的過程中使用PSPICE電路仿真軟件，可以仿真分析元件性質、瞬態(tài)過程、互感電路等各類電路。在電腦中一同安裝上相關的輔助分析軟件以及教學內容課件，并且教師要依據(jù)實際的教學內容選擇真實、科學的例題，將其錄入軟件中，并做好相應的電路圖形，設置好分析的類型，在實際講課的過程中應該以理論教學內容為基礎，在適當?shù)臅r間切入到仿真軟件中開展仿真實驗。

比如現(xiàn)在輔助分析軟件中繪制出一階動態(tài)電路圖，閉合開關S時需要時間為1s，將電路穩(wěn)定的狀態(tài)值設為16V，對電容電流、電壓等發(fā)出的功率進行計算需要在Uc1（0_）=4v或20V的條件下開展。

由上圖可以知道，這類題的目的是為了求出直流激勵的下一階電路全響應，而求解動態(tài)電路圖的過渡過程可以使用PSPICE軟件中的時域掃描功能，利用電容參數(shù)IC設置初始值。

電容電壓的初值為4V時，uC1（0_）也為4V，仿真參數(shù)應設置為10ms，由于在工程中一般要經(jīng)過5τ的時間電路才能重新達到穩(wěn)定的狀態(tài)，且電路的時間常數(shù)τ為2s，所以，本文從零時刻開始，將總分析時間設6τ，時長共為12s。

增加電容電壓，讓其由最初值4V按照一定的指數(shù)規(guī)律到穩(wěn)定的16V，電容電壓在換路的過程中，其會由0突然變?yōu)?.97A，然后又會根據(jù)指數(shù)規(guī)律衰減。在整個過程中電容電流一直都是正，電壓升高的情況說明電容正在充電。電容電流與電壓波形圖如下所示：

因為軟件中默認首結點到末結點為元件的電壓，且電流與電壓之間呈現(xiàn)關聯(lián)的情況，通過上述研究可以看出，電流源電壓的上端為負，對其進行計算，可以得出相關的功率，同時也可以知道電流源的功率也為負，進一步能夠對其實際發(fā)出的功率值深入了解。

當開關閉合之前可以知道-128W為電流源吸收的功率，同時也表示電阻消耗了128W的功率，當開關閉合時，因為電容電壓的穩(wěn)定性，加上其并聯(lián)了電流源，所以電流源的電壓會變化為4V，在整個過程中電流有所減少，盡管電容在充電，但是電阻消耗的能量卻相對比較少。而繼續(xù)進行充電，則會導致電容電壓值不斷升高，并使得電阻消耗的能量不斷增加。充電過程結束之后，電流源的電流將會全部流經(jīng)電阻，這樣消耗的功率將會達到最大值。

當處于Uc1（0_）=20V的情況下，設置電容電壓的初始值為20V，仿真參數(shù)和上述研究一致，此時電容電壓的初始值會按照指數(shù)規(guī)律下降到比較穩(wěn)定的16V，整個過程中電容電壓始終為負。這主要說明電容在過渡的過程中一直在釋放能量，處于放電的過程。

通過對上述的一階電路充放電的過程進行分析，就像是在理論課堂中引入了虛擬實驗室。在PSPICE的軟件中利用其相關的處理器，能夠對各個變量的波形查看，同時還能顯示出多個窗口，讓對比更加方便和明顯，并且利用軟件中的光標定位功能，還能讓曲線上各點的坐標被精準讀出，在上課的過程中還可以根據(jù)課堂內容情況改變電路的參數(shù)、初始值等，能讓學生的學習更加形象具體，進一步深入了解電路中各種參數(shù)帶來的影響，具有非常大的應用價值和應用前景。

4.結束語

有效結合仿真實驗和電路課程理論教學，能讓抽象的理論教學變得更加具體和形象，通過分析接近實際的電路知識，能調動學生學習的積極性，這樣能不斷提高學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，幫助學生將理論與實際聯(lián)系起來，從而讓整個教學的效率和質量得到保證，促進學生的全面發(fā)展。

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