蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 余 萍

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虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)法在《電工學(xué)》課程中的應(yīng)用

蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 余 萍

【摘要】針對電工學(xué)教學(xué)中存在的問題，從改革教學(xué)方法和提高學(xué)生對知識的理解、分析能力以及學(xué)習(xí)參與度、興趣的角度出發(fā)，本文應(yīng)用MULTISIM軟件完成2個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)仿真，并對教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)于電工電子課堂教學(xué)中，使得教學(xué)過程更形象、生動(dòng)、直觀，學(xué)生參與度得到有效提高，教學(xué)效果更好。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)法；電工學(xué)；MULTISIM；教學(xué)實(shí)踐

電工學(xué)是針對高等學(xué)校非電類工科專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課，具有綜合性強(qiáng)，學(xué)時(shí)短，內(nèi)容多、抽象難以理解、理論方法多且不容易記憶等特點(diǎn)[1,2]。因此，學(xué)生普遍覺得難學(xué)、難懂，缺乏學(xué)習(xí)興趣和熱情，缺乏自主思考、自主探索的能力，習(xí)慣于被動(dòng)接受、習(xí)慣于對知識點(diǎn)結(jié)論的掌握而忽略對結(jié)論得出過程的探討，從而導(dǎo)致對內(nèi)容的理解不到位，思路不清晰，教學(xué)效果不理想的情況。將MULTISIM仿真軟件應(yīng)用于電工學(xué)教學(xué)中，將使得相關(guān)概念及定理的呈現(xiàn)更直觀、生動(dòng)、便于理解和掌握，并可通過仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)以及對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，極大的提高了學(xué)生的參與度，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自信心，極大地活躍了課堂氣氛，使教學(xué)效果得到大幅度提升[3]。

本文主要從兩個(gè)教學(xué)實(shí)例的設(shè)計(jì)與實(shí)施來闡述虛擬仿真技術(shù)在《電工學(xué)》教學(xué)過程中的應(yīng)用及其價(jià)值。

1　MULTISIM在基爾霍夫電流定律教學(xué)中的應(yīng)用

基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律（KVL），是反映電路中各部分電流、電壓間的相互約束關(guān)系的基本定律。它跟歐姆定律一起，被稱為“電路分析的兩條腿”，對電路其他部分知識的學(xué)習(xí)均有極為重要的支撐作用。KCL的基本內(nèi)容是：在任一瞬間，對電路中的任一結(jié)點(diǎn)，流入的電流之和恒等于流出的電流之和[4]。

1.1教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1.1設(shè)計(jì)思路

在以往的教學(xué)中，此部分內(nèi)容的講授通常由靜態(tài)的電路圖作為呈現(xiàn)，借助于電流流向的符號及數(shù)學(xué)公式直接給出結(jié)論，而利用MULTISIM軟件就可在課堂上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的電路仿真演示，引導(dǎo)學(xué)生自己完成對定理結(jié)論的推導(dǎo)，使對內(nèi)容的展示更生動(dòng)，內(nèi)容的理解更透徹。

1.1.2教學(xué)步驟

教學(xué)過程中，首先需要在仿真軟件中畫出電路圖；分析電路結(jié)構(gòu)，說明元件的作用；然后運(yùn)行仿真，并分析仿真數(shù)據(jù)，必要時(shí)變換電路參數(shù)，重新仿真以得到更多的仿真數(shù)據(jù)；最后引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過自主思考得出結(jié)論。

1.2仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行和分析

利用Multisim仿真軟件，創(chuàng)建圖1所示基爾霍夫電流定律的仿真電路，該電路含有兩個(gè)結(jié)點(diǎn)三條支路，每條支路上放置直流電流表用于測試支路電流I1，I2，I3；左側(cè)支路中串有可調(diào)電阻R1，其他元件和參數(shù)如圖所示。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R1的阻值，在阻值分別為2Ω、4Ω、6Ω、8Ω、10Ω五種情況下，分別觀察三個(gè)電流表讀數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1　仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，很容易發(fā)現(xiàn)：

I1+I2=I3

繼續(xù)分析電壓電流方向發(fā)現(xiàn)對上結(jié)點(diǎn)而言，I1和I2為流入結(jié)點(diǎn)的電流，I3為流出結(jié)點(diǎn)的電流，從而讓學(xué)生自主推導(dǎo)出基爾霍夫電流定律（KCL）的內(nèi)容，即：在任一瞬間，對電路中的任一結(jié)點(diǎn)，流入的電流之和恒等于流出的電流之和。

圖1　仿真電路及仿真結(jié)果

但是，細(xì)心的同學(xué)可能會發(fā)現(xiàn)，表1結(jié)果中，當(dāng)R1阻值等于6Ω時(shí)，I1和I2相加之和與I3數(shù)值有微小差距，這是為什么呢？原因很簡單，由于軟件中的所有儀器元件等，都是按照虛擬現(xiàn)實(shí)的方式進(jìn)行連接，仿真時(shí)就會受到儀器元件的內(nèi)阻等原因影響，而使實(shí)際結(jié)果與理論結(jié)果有細(xì)微差別，但這都是在工程誤差允許范圍內(nèi)的。因此，在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中，如此細(xì)微的差距不會影響定理內(nèi)容的正確性。

1.3教學(xué)效果分析

不難看出，將MULTISIM軟件的仿真技術(shù)引入到《電工學(xué)》課程內(nèi)容的教學(xué)中，能夠使結(jié)論的得出更自然流暢，學(xué)生的參與度及對內(nèi)容的理解掌握程度將得到顯著提高。

2　MULTISIM在電路暫態(tài)教學(xué)中的應(yīng)用

電路的暫態(tài)過程是電路舊穩(wěn)態(tài)到新穩(wěn)態(tài)中間的過渡過程，它是由于電路中儲能元件能量的轉(zhuǎn)換不能瞬間完成而造成的電路現(xiàn)象[4]，可以分為零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和全響應(yīng)對暫態(tài)進(jìn)行分析。

2.1教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1.1設(shè)計(jì)思路

這一教學(xué)內(nèi)容很抽象，課堂講授時(shí)是以電路的穩(wěn)態(tài)分析作為承接，因此學(xué)生通常對“電路暫態(tài)”這一新的電路狀態(tài)理解不透，對t=0-、t=0+、t=∞三個(gè)時(shí)刻及該時(shí)刻電路狀態(tài)的理解和把握不足，原因是對元件的充放電過程、換路等概念沒有透徹理解所造成的，將MULTISIM仿真實(shí)驗(yàn)加入此部分內(nèi)容的講解將更有利于對內(nèi)容的掌握。

2.1.2教學(xué)步驟

教學(xué)過程與1.1.2小節(jié)基本一致，但是本節(jié)內(nèi)容則是通過改變電路結(jié)構(gòu)來得到不同的結(jié)果，而不是改變電路參數(shù)。

得到仿真結(jié)果后，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生通過自主思考，理解“換路”、“電容充放電”過程等概念，進(jìn)而理解暫態(tài)過程教學(xué)內(nèi)容的全部知識點(diǎn)，包括零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和全響應(yīng)等。

2.2仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行與分析

利用MULTISIM仿真軟件，創(chuàng)建如圖2所示RC仿真電路，并著重說明開關(guān)（J2）在不同位置時(shí)電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。仿真時(shí)，先將開關(guān)打在1位置，調(diào)出示波器窗口，啟動(dòng)仿真電路，發(fā)現(xiàn)示波器沒有電壓信號輸出，說明電容元件上沒有儲能，此時(shí)可認(rèn)為電路處于舊的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2　RC電路仿真（J2處于位置1）

圖3　J2由位置1撥到位置2時(shí)的電路響應(yīng)

圖4　J2由位置1撥到位置2后，再撥回位置1時(shí)的電路響應(yīng)

此時(shí)，將開關(guān)撥到位置2，可以自然地引出“換路”這一概念，并強(qiáng)調(diào)“換路”的發(fā)生是觸發(fā)暫態(tài)的充分條件。啟動(dòng)仿真電路，如圖3所示，引導(dǎo)學(xué)生觀察兩個(gè)問題：（1）電容元件上能量是增加還是減少？ （2）能量的增加是瞬間完成的嗎？然后，再將開關(guān)撥回到位置1，如圖4所示，引導(dǎo)學(xué)生再次思考前面兩個(gè)問題。顯然，圖4中顯示的是電容元件上的電壓是逐漸增加的，而圖5中當(dāng)電路再次“換路”時(shí)，電容元件上的電壓又是逐漸減少的。結(jié)果表明，儲能元件上的能量轉(zhuǎn)換并不是瞬間完成的，而轉(zhuǎn)換的時(shí)間長短則跟電路的參數(shù)（即，時(shí)間常數(shù)τ=RC）有關(guān)，τ越大，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長；τ越小，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短。

2.3教學(xué)效果分析

將MULTISIM軟件引入電路暫態(tài)教學(xué)中，能夠使原本抽象難理解的內(nèi)容變得直觀而生動(dòng)，使學(xué)生對相關(guān)概念的理解更為透徹，學(xué)習(xí)電工學(xué)的自信心得到明顯提高。通過這樣直觀而生動(dòng)的展示，使學(xué)生透徹理解充放電過程及暫態(tài)狀態(tài)的存在，區(qū)別t=0-、t=0+、t=∞三個(gè)時(shí)刻及該時(shí)刻電路狀態(tài)，從而自然地引出零狀態(tài)響應(yīng)、零輸入響應(yīng)以及全響應(yīng)的概念。

3　結(jié)束語

本文通過2個(gè)MULTISIM仿真軟件與電工學(xué)教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合的實(shí)例，說明了在課堂教學(xué)中加入仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)⒊橄蟮碾姽W(xué)概念和原理直觀化、形象化，有利于突破難點(diǎn)、深化理解，能夠有效提高學(xué)生的課堂參與度和自信心，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)興趣，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的提高。我們將這樣的虛擬仿真教學(xué)方法應(yīng)用于近幾個(gè)學(xué)期的《電工學(xué)》教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)，非電類專業(yè)的學(xué)生對于這門電類基礎(chǔ)課的興趣明顯提高，課堂氣氛更為活躍，課堂參與度也有相應(yīng)的提高，學(xué)生的成績得到明顯改善，教學(xué)效果明顯。可見，將MULTISIM軟件應(yīng)用于電工學(xué)課堂教學(xué)中是深化教學(xué)改革，提高教學(xué)效果的有效手段，同時(shí)具有重要的實(shí)踐意義。

參考文獻(xiàn)

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[4]秦曾煌.《電工學(xué)》(上冊)—電工技術(shù)(第6版)[M].北京:高等教育出版社,2004.

余萍（1979—），女，甘肅蘭州人，碩士，講師，主要從事電路與系統(tǒng)、模式識別等方向的教學(xué)與研究工作。

作者簡介：

基金項(xiàng)目：甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體項(xiàng)目（1506RJIA031）。