基于Multisim平臺的電工學課程教學研究

馬志燕

摘? 要 為了提高電工學實踐教學效率和學生的實踐能力，提出將Multisim虛擬仿真實驗與實體實驗并行的電工學實驗教學方法，并給出綜合實驗的實例分析與應用。通過對電工學實驗特點的分析，根據(jù)不同實驗要求進行實體實驗與仿真實驗，以增強學生對于電工學內(nèi)容的認識與理解，同時提高學生分析與設計實際電路的能力。

關鍵詞 電工學;Multisim;實驗室;虛擬仿真實驗;實體實驗

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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

隨著社會信息化的迅速發(fā)展，教育教學過程中對于信息化技術(shù)的需求越來越大，如何將虛擬仿真實驗技術(shù)更好地應用于實際教學過程中，進一步加強教學改革，使教育教學順應教育信息化的發(fā)展趨勢和現(xiàn)實發(fā)展需要，是廣大教學工作者需要深入探索實踐的問題。當前，國內(nèi)外許多高校已經(jīng)開發(fā)了虛擬仿真實驗項目，建立了相應的虛擬仿真實驗室[1-2]。

電工學是研究電磁現(xiàn)象在工程中應用的技術(shù)科學，是工科各類非電專業(yè)必修的一門實踐性很強的技術(shù)基礎課。該課程內(nèi)容綜合性強，對工科學生綜合素質(zhì)的提高以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)至關重要。各類電路的實驗驗證對于促進學生在復雜的理論中深入理解和掌握其根本原理起著非常重要的作用，也可以在一定程度上提高學生的實際動手操作能力，同時在此基礎上進一步提高學生對應用電路的設計和分析能力。為了適應電工學課程對于實驗的各種要求，提出將Multisim虛擬仿真實驗與實體實驗并行的電工學實驗教學方法，形成虛實結(jié)合的實驗教學模式，實現(xiàn)優(yōu)勢互補的實驗教學目標，并給出實例進行具體分析[3]。

2 現(xiàn)有電工學實驗教學中存在的問題

當前大多數(shù)院校給學生開設的電工學實驗，都是依靠實驗室提供的實驗臺設備，讓學生在學習完對應的理論內(nèi)容后，在規(guī)定的時間里，根據(jù)規(guī)定的實驗指導書的內(nèi)容，在指導教師的指導下完成實驗。在近幾年的電工學實驗教學中發(fā)現(xiàn)，這種教學模式可以在一定程度上提高學生的實際動手操作能力，但也存在很多問題[4]。

1）一般院校的實驗中心所引入的電工學實驗設備都是模塊化設備，這種實驗室儀器的操作只是供學生做一些驗證性實驗或簡單的設計性實驗，對于一些綜合性設計實驗根本無法實現(xiàn)，這就導致達不到對學生能力培養(yǎng)的期望。

2）實驗臺上的實驗只能在規(guī)定的時間按照規(guī)定的內(nèi)容去完成，對于稍復雜一些的實驗，線路的檢查和調(diào)試的時間需求不能夠充分滿足。一般性驗證性實驗對于學生而言，能夠在一定程度上提高動手能力，并加深對理論知識的理解和掌握，但不能滿足學生個性化學習要求。同時，內(nèi)容的局限性也限制了學生興趣的培養(yǎng)，那么創(chuàng)新更無從談起。

除此之外，對于作為初學者的學生來說，實驗室實驗必然會造成元器件的損毀。同時，在電工實驗中，強電與弱電并存，或多或少有一定的安全問題……

可以看出，對于電工學實驗教學來說，傳統(tǒng)的單一實驗室平臺實驗教學方法與當今社會要求的培養(yǎng)創(chuàng)新型、應用型人才的教學理念不符，不利于工科學生綜合素質(zhì)的提高以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。那么，如何激發(fā)學生對于電工學實踐環(huán)節(jié)的興趣，有效提高實驗教學效率和學生的實踐能力，就成為該課程亟待解決的問題。

3 Multisim虛擬仿真實驗和實體實驗結(jié)合的教學模式

Multisim虛擬仿真實驗特點? 現(xiàn)代計算機技術(shù)和虛擬技術(shù)的發(fā)展，使很多知識的學習開放化、自動化。Multisim

就是一款用于開發(fā)和仿真的軟件，不僅僅局限于各類電路的虛擬仿真，而且在LabVIEW虛擬儀器、單片機仿真等技術(shù)方面有許多創(chuàng)新和提高。Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術(shù)（LabVIEW）可以方便地將抽象的理論知識用計算機仿真真實地再現(xiàn)出來，可以極大地提高學生的學習熱情和積極性，真正做到變被動學習為主動學習。Multisim虛擬仿真實驗具備以下特點[5]。

1）無局限性，隨時隨地可以使用。Multisim是虛擬仿真實驗平臺，實驗人員可以根據(jù)自己的要求做任意相關實驗，包括綜合性實驗、研究型實驗、設計型實驗等。同時，仿真實驗平臺僅僅是一個軟件平臺，對于學生來說，可以隨時隨地進行自己的實驗。這樣既可以滿足學生自由分配時間的需求，又可以發(fā)揮學生的主觀能動性，完成任何層次的實驗。

2）軟件調(diào)試方便，維護方便。電路本身就是由很多元器件和很多連線形成的，學生作為初學者，在做實驗的過程中難免會出現(xiàn)很多錯誤。在虛擬仿真實驗平臺上完成實驗時，學生可以隨時發(fā)現(xiàn)問題，隨時更改線路的連接形式，刪除或增加元器件、修改參數(shù)，調(diào)試過程中也可以根據(jù)調(diào)試結(jié)果隨時更改線路，最終得出最優(yōu)方案，非常方便。

3）安全性好，不消耗實驗器材。實驗過程既是一個提高動手能力和實際操作能力的途徑，也是一個摸索的過程和練手的過程。學生作為初學者，在練的過程中提高自己的能力的同時，難免會出現(xiàn)這樣那樣的錯誤。而虛擬平臺對于這些錯誤會實時提示，并很明顯地標記出來，既能夠提示實驗人員正確操作方法，又不會出現(xiàn)儀器損毀的情況，對學生來說保證了安全性，對實驗室來說不會出現(xiàn)儀器損耗，大大減少了經(jīng)費開支。

4）可以使用一些實驗室不常見的元件。一般情況下，實驗室平臺主要用于滿足學生的基本實驗，對于一些綜合性實驗或提高學生創(chuàng)新能力的設計型實驗來說，有一些不常用的元件就沒有，造成實驗的局限性。而虛擬平臺提供了非常完整的元件庫，能夠滿足各種類型的實驗需求，使實驗者靈活選用各種元件，使實驗得到一個最佳效果。

雖然Multisim虛擬仿真實驗具備很多實驗室硬件實驗所不能實現(xiàn)的優(yōu)點，但單一的仿真實驗由于其電路中元件和操作環(huán)境的理想化，使學生對實際的操作認識不夠深刻，實際動手能力匱乏，容易導致在設計過程中與實物脫節(jié)，同樣不能達到從根本上提高實踐能力的目的。

Multisim虛擬仿真實驗與實體實驗并行的教學模式? 現(xiàn)代科學技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展是基本理論研究、應用研究和技術(shù)開發(fā)緊密結(jié)合的過程。這就要求學生在學習電工學課程基本理論知識的基礎上，能夠?qū)⑵鋺玫綄嶋H設計過程中。眾所周知，實體實驗室的實驗臺都是針對課本中的一些比較重要的理論而開發(fā)的，非常有必要讓學生按照實驗要求動手去進行操作。但是實驗室實驗一般都是根據(jù)教材需求設置的一些常規(guī)性實驗，而為了提高學生的創(chuàng)新能力，在學習完整個課程之后，還應該做一些綜合性實驗，或針對某一個項目課題進行一些設計或仿真，常規(guī)實驗室對于這種需求將無法滿足。在這種情況下就需要采用Multisim軟件進行虛擬仿真實驗。因此，對于不同類型的實驗應該靈活地采用不同的方法進行，才能夠得到最佳的效果。

1）基礎實驗。戴維寧定理、單管放大、集成運放、編碼器、譯碼器等內(nèi)容都是電工學課本中要求學生必須掌握的內(nèi)容，這些內(nèi)容的相關實驗，實驗室的實驗臺都很完善。對于這些實驗，可以先在課堂上用Multisim軟件進行虛擬仿真，然后將仿真過程以及仿真結(jié)果結(jié)合課堂理論教學，增進學生對于基本理論的掌握和理解，為下一步的實驗室實際操作打下堅實的理論基礎，再在實驗室平臺上進一步進行實操，使學生掌握常用的電子儀表、電子儀器的使用方法，并能夠按照實驗要求完成電路的搭建、實驗數(shù)據(jù)的讀取、實驗波形和曲線的結(jié)果分析等內(nèi)容，從而使學生對于理論知識的掌握與實踐能力的提高都大大增強[6-7]。

2）綜合性、設計型實驗。對于整個電工學而言，可以將其分成三大部分內(nèi)容，包括基本電路部分、模擬電路部分和數(shù)字電路部分。每學完一部分內(nèi)容，可以布置相關內(nèi)容的綜合性、設計型實驗，這些綜合性、設計型實驗應以總結(jié)對應部分內(nèi)容以及提高學生設計能力為目的。由于實驗室實驗設備本身和實驗室開放情況等各方面的限制，對于這些綜合性、設計型實驗，在給出實驗目的和實驗內(nèi)容的情況下，從確定設計思路，到一步一步搭起每個模塊的實驗電路，最后到搭起整個實驗電路，包括各個環(huán)節(jié)的驗證調(diào)試等過程，都在實驗室完成是不現(xiàn)實的。一方面，對于完成實驗的最佳設計思路，實驗臺不一定能夠提供所有可用的最優(yōu)元器件;另一方面，直接在基本設計思路的指導下進行連線操作，必然會出現(xiàn)很多隱患，由于接線過程中線路復雜而出現(xiàn)錯誤接線，從而導致反復檢查修正，甚至出現(xiàn)燒毀電氣元件的情況，等等。同時，這種由多個模塊組成的綜合性實驗，所要求的時間和場地是具有連續(xù)性的，不能由于其他實驗而中斷。

那么，對于這些綜合性、設計型實驗，完全可以在實體實驗前用Multisim軟件進行虛擬仿真，既可以避免以上情況的產(chǎn)生，還可以讓學生靈活快速地根據(jù)仿真結(jié)果，優(yōu)化自己的設計思路，最終找出最優(yōu)設計方案。得到仿真結(jié)果后，再以實驗室實驗臺為基礎，有目的性地對于綜合性實驗的部分過程或整個實驗電路進行實操。

總之，將仿真實驗和實體實驗并行進入課堂教學與實驗教學過程中，才能使學生對于電工學課程的學習更加完善，才能加強學生的創(chuàng)造性思維方式的培養(yǎng)，才能更進一步促進學生動手實踐和創(chuàng)新能力的提高。課堂理論教學、仿真實驗和實體實驗三者相輔相成、缺一不可。

4 綜合實驗案例分析

下面以數(shù)字時間記錄儀仿真電路綜合性實驗為例，介紹實驗過程。

實驗目的：設計一個數(shù)字時間記錄儀。

實驗要求：要求數(shù)字時間記錄儀能夠完整、準確地顯示時、分、秒時間信息;要實現(xiàn)1 Hz的秒計數(shù);同時實現(xiàn)校時功能。

首先，確定基本設計方案，并在Multisim環(huán)境下實現(xiàn)本實驗的基本過程。用六個數(shù)碼管完整地顯示時分秒信息;用一個由兩個十進制計數(shù)器串聯(lián)，加上必要的反饋置零電路組成的十二進制計數(shù)器來實現(xiàn)時的計時;用兩個由十進制和六進制的計數(shù)器串聯(lián)組成的六—十進制計數(shù)器分別實現(xiàn)分、秒的計時;同時實現(xiàn)校時功能，需要分別對時分秒的校時電路;要實現(xiàn)1 Hz的秒計數(shù)，可以由晶體振蕩器分頻后提供，也可以由555定時來產(chǎn)生脈沖，并分頻為1 Hz后提供;校時電路可以用單刀雙擲開關切換計數(shù)功能與校時功能來實現(xiàn)。該數(shù)字時間記錄儀將秒計數(shù)器的進位端連接到分計數(shù)器的時間記錄儀信號輸入端，將分計數(shù)器的輸出進位端連接到小時計數(shù)器的時間記錄儀信號輸入端，顯示數(shù)碼管連接到計數(shù)器的計數(shù)輸出端，校時電路與各計數(shù)器的正常時間記錄儀信號通過單刀雙擲開關選擇后，接到計數(shù)器的時間記錄儀端。完整的數(shù)字時間記錄儀仿真電路如圖1所示。

由于數(shù)字時間記錄儀電路比較復雜，因此將單個功能的實現(xiàn)分別做成子電路，然后直接把設計好的電路復制到子電路編輯窗口中，把需要與外界連接的引腳引出來，就可以直接與主電路其他部分連接，從而實現(xiàn)其功能。在圖1所示完整數(shù)字時間記錄儀仿真電路中，12（SC2）為十二進制計數(shù)器子電路，實現(xiàn)對于小時顯示的進位功能，其原電路如圖2所示;CLOCK（SC3）為分頻器子電路，實現(xiàn)將1 kHz信號分頻為1 Hz信號，其原電路如圖3所示;60（分）和60（秒）為兩個六—十進制計數(shù)器子電路，分別實現(xiàn)控制分和秒的顯示，其原電路為如圖4所示的74LS161構(gòu)成的六—十進制計數(shù)器電路。

為了實現(xiàn)各個分功能的電路能夠有效地連接到一起，均需要將原電路設置成子電路的形式，然后放入總電路中實現(xiàn)連接。本文以六—十進制計數(shù)器原電路（圖4）和子電路（圖5）為例，介紹如何將原電路轉(zhuǎn)換成子電路形式，以便于實現(xiàn)總電路的連接。從圖4和圖5的比較可以看出，只要有了原電路，對應的子電路設計過程很簡單，只需要將設計好的功能電路復制到子電路編輯窗口中，把需要與外界連接的引腳引出來，就可以與主電路的其他部分相連接。用同樣的方法可以把分頻器原電路、十二進制計數(shù)器原電路也復制到子電路編輯窗口中，再把需要與外界連接的引腳引出來，接入主電路即可。文中只給出分頻器子電路、十二進制計數(shù)器原電路圖，如圖2和圖3所示，其子電路圖示不再重復繪制。

至此為止，完成Multisim數(shù)字時間記錄儀的虛擬仿真實驗電路的設計。在完成虛擬數(shù)字時間記錄儀的設計及仿真后，再根據(jù)實際情況選擇是否在實體實驗平臺上做整體實驗或者部分模塊實驗，就更可靠更方便了。

5 結(jié)語

在電工學傳統(tǒng)的實驗室實驗教學的基礎上，開展Multi-

sim虛擬仿真實驗與實體實驗并行的實驗教學模式，將理論設計與分析、實體實驗現(xiàn)實與交互式設計與仿真相結(jié)合，完善電工學現(xiàn)有的實驗教學體系，提高實驗教學水平和教學質(zhì)量，同時激發(fā)學生的實驗創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，同時為實驗室教學模式提供一種新思路。在電工學實驗教學過程中，如何進一步改善和實踐虛擬仿真實驗與實體實驗相結(jié)合的教學方法，真正實現(xiàn)對于電工學實驗教學的最佳教學效果，進一步提高實驗教學質(zhì)量，這無疑對整個電工學實驗教學質(zhì)量的提高有著積極意義。

參考文獻

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