Matlab软件在电工学辅助教学的应用

黎 霞，毛一之，李 华

（河北工业大学 电气与自动化学院，天津300130）

0 引言

电工学课程作为非电专业的重要基础课之一，教学的内容涉及电路原理及分析、磁路分析、电机工作原理、模拟电子技术和数字电子技术等多个部分，具有内容多、概念多、公式多、图形多和实践性强的特点。而教学的对象又分布在机械、热能、化工、物理、土木等多个非电专业，教与学难度较大。因此，如何根据课程的特点将现代科学技术成果应用于“电工学”的课堂教学，改进、完善、发展和创新教学方法，为教师、学生建立发挥创造潜力的教与学的环境，不断提高教学质量和效率，是广大教师一直探索的问题。目前，很多计算机辅助软件如PSpics、Multisim、Matlab等都相继被引入电工课程的教学当中［1－3］。

1 Matlab引入教学的优势

“电工学”课程要求理论和实践有机结合。从理论学习角度来说，电工学中很多知识点的熟悉、掌握要靠机械性地记忆和理解记忆相结合，学习的过程比较枯燥，容易使学生感到倦怠而缺乏持久的学习兴趣。但技能的掌握又离不开看似枯燥的反复记忆和训练。因此引入某些实践环节可以丰富教学内容，缓解理论学习的枯燥感。而随着信息技术的发展、计算机应用的普及，用计算机来进行“模拟实验”正在成为一种趋势。通过Matlab软件在课堂上辅助讲解电路、电子方面的知识，不仅能够提高学生学习兴趣，使学生更好的理解电路工作原理，让学生学会计算机软件辅助理论学习的方式和方法，对工程素质的培养起到很好的作用。

从实践角度来说，由于实验器材、场地、人员和课时等成本的限制，对大多数学生通过有限的实验来进行理论的辅助学习，效果也是相当有限的。所以电工学实践不应当是简单的“理论＋实验”，而应该有更丰富的内容。采用计算机软件辅助教学就是另一种桥梁和纽带。具有强大功能的Matlab软件可以提供各种科学研究和工程技术应用的计算和仿真，它可以对电路进行快速分析、计算而受元件数量和电路的复杂程度的影响相对很小；通过它的仿真平台建立电路模型，如同在纸上画电路、实验室中搭电路一样方便，并且不受成本的限制和器件应用次数的限制，同时还能在“示波器”等工具上直观看到结果。因此，Matlab可以成为电工学课堂与实验教学的一个有效的辅助工具。

2 教学实例

下面通过几个教学实践中的具体实例来介绍引入Matlab辅助教学的应用［4］。

1）在电路暂态分析中的应用

在一阶RC电路全响应中经过基尔霍夫电压定律和元件的电压电流关系，可列写出电路的微分方程如下，

而求解的数学过程则可以通过Matlab来实现，运行指令：uc＝dsolve（＇Duc＝－500＊uc＋5000／3＇，＇uc（0）＝2＇，＇t＇）

ezplot（uc，［0，20e－3］）

按回车键立刻可以得到方程的解和uC的变化曲线（见图1）

图1 uc 的变化曲线

整个计算过程十分快捷方便，就可以将更多的课时放在uC特性的分析上。

2）在三相电路相量分析中的应用

在三相电路的分析中，采用了相量法来简化计算过程。而相量与阻抗的应用就必须引入复数运算，这对于大多数学生来说是个数学难题。同时三相电路对称、不对称负载以及它们的星型、角型连接方式也容易使学生造成混淆。在此也可以借助于Matlab来简化计算过程。

例如，对于图2所示的三相角结不对称电路，可以设三条端线上的电流为IA，IB，IC，三相负载上的电流为Iab，Ibc，Ica，则可以列出基尔霍夫电压电流方程

图2 三相电路图

求解电路电流的程序如下：

就可以得到结果：

相量图如图3所示。如果分析的是对称负载，只需要在程序中将负载参数略加调整。在此也可以进一步启发学生如果是换成星型连接方式如何来进行计算和分析。这样的互动与启发学习可以明显的活跃课堂氛围，提高教学效果。

图3 三相不对称负载相量图

3）在整流电路分析中的应用

Matlab还提供了灵活的仿真功能，可以建立一个“模拟实验室”。其中各种器件及其接线和测量都类似于实际的实验过程。在仿真平台上搭建桥式整流电路，见图4。由图可知仿真模型的元件及结构与授课的理论电路模型基本一致，这就为学生设计与掌握仿真电路提供了很大的便利。不仅构建电路简单，数据测量与观测也很方便。“示波器”观测到的全波整流的效果图如图5所示。

图4 整流电路模型

图5 负载和电源上的电压波形

教师和学生一起来进行参数与结构的调整，将整流与滤波电路逐一实现，分析产生不同“实验结果”的原因，把实验室的教学直接搬到理论课堂上，学生就可以作为学习的主导者，把理论知识运用起来。从而更加理解元件的工作特点、电路的组成和原理，实现理论与实践的完美结合。可以看出，Matlab的引入成为了课堂上启发式、探究式、讨论式等教学方法实施的有效辅助工具，对丰富教师的授课手段、培养学生的素质都有很大的帮助。

4）在计数器电路分析中的应用

不仅是模拟电路，Matlab也可以建立数字电路模型。计数器电路采用了Matlab里面的JK触发器模型和时钟模型，连接各触发器的接线，就可以得到如图6所示的五进制计数器。其工作波形如图7所示。

图6 异步五进制计数器模型

图7 五进制计数器时序波形

3 结论

将Matlab引入电工学教学实践中，通过计算机软件的辅助，使教学方式更加灵活，增强了教学内容的直观性和生动性，为课堂上实现探究式教学方法提供了有力支持。不仅有助于学生深刻地理解基本概念、原理，更为学生提供了动手操作的机会，激发学生解决问题的兴趣，提高教学效率，培养学生的工程科学素养。但同时也应注意避免几个问题：

（1）主次不分。Matlab只是辅助教学的工具，电工学各种理论才是教学过程的核心。要在活跃课堂气氛的同时将学生的注意力集中在理论学习上。

（2）选材不当。Matlab仿真和计算模型的选取要注意科学性和代表性，内容恰当，难度适当，才有利于推动教学进程。这就需要教师在课下进行总结思考，在教学中不断积累素材。

［1］ 胡新艳等.Matlab在《信号与系统》课程教学中的应用.科技信息，2009.27

［2］ 王彬彬.Matlab软件在电气工程专业教学中的应用.中国电力教育，2009.6

［3］ 邓红雷等.“电工学”教学方法的研究与实践.电气电子教学学报，2009.8

［4］ 钟麟，王峰.Matlab仿真技术与应用教程.国防工业出版社，2004.1