MATLAB在电类课程教学中的应用与研究

梁承权 左仁合 李光平 朱浩亮

[摘 要] 通过电类课程的教学过程中MATLAB项目的实际应用，将各个零散知识点有机结合起来，灵活直观讲授。利用现代计算机辅助教学手段不仅能将纯理论的课程盘活，使课堂气氛变得更加活跃，而且促进了学生对专业学习的热爱，最重要的是提高了学生的创新能力、自主学习能力。

[关 键 词] 电类课程；MATLAB项目；仿真分析

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）19-0074-02

電路基础、自动控制原理、通信系统等课程是电类专业的重要专业技术课程，在课程结构体系中起着非常重要的作用。这几门课程抽象、理论性很强且实用性强，涉及的知识面也很广泛，学生却难以掌握并融会贯通。按照传统的教学方法，在讲授该课程时都依照课本各个章节知识点逐一讲解，配套的实验都是以验证性为主，设计性为辅。由于课程的复杂性、抽象性，学生得不到真正的理解，因此只能含糊地理解概念，不理解其真正的物理含义，导致最终教学效果非常不理想。

计算机辅助教学的教学手段新颖，通过图像、动画、视频、音频、文本等多种媒体形式产生丰富多彩的人机交互方式。现代计算机教学辅助手段的应用，可将抽象的含义迅速地化为简明扼要的图表曲线，将其物理特性与规律清晰明了地展示，且对基本原理或复杂的系统很方便地利用辅助工具进行反复的试验探索。学生利用软件仿真一次，就会加深对知识点的理解和巩固。利用计算机辅助手段进行教学，既减少了硬件设施的损耗，学生的学习效率又得到了提高。由此，电类课程引入仿真实验演示到课堂是一个非常有效的教学方法，而MathWorks的MATLAB软件正好为教学提供了这样的一个平台。

一、MATLAB的介绍

MATLAB早在二十世纪七十年代被开发与应用，后来经Math-Works公司大力推广，目前在工程控制、信号分析与处理、图像处理等领域得到广泛应用。它已发展成为适合众多学科、多种工作平台、功能强大的大型软件。在美国、德国、英国等国家的高校，通信系统、数字信号处理、工程数学、电路分析等重要课程，MATLAB已成为基本的教学辅助工具。大部分的设计研究机构和公司开发部门，MATLAB被广泛地应用于研究和解决各种具体问题。在我国，MATLAB已日益受到重视，短时间内就将盛行起来，因为无论哪个学科或工程领域都可以从MATLAB中找到合适的功能。

MATLAB提供了强大的矩阵运算、数据处理能力，同时为各种专业提供模块库，如数字信号处理模块集和通信模块集。在电类课程中引入MATLAB，一是方便学生形象地掌握深奥的理论知识，二是学会MATLAB的基本应用技巧，为学生就业提供更有利的条件。

二、MATLAB项目在电类课程中的应用举例

（一）MATLAB在电路基础课程中的应用

电路基础是高校电气电子类专业的专业基础课，该课程理论性强，电路方程公式多，学生常为复杂的计算和电路模型分析感到头疼，如将MATLAB引入课堂展开教学，不仅可以直观教学，扫清学生学习的障碍，还有助于学生更好地掌握分析方法，激发学生的学习兴趣，开阔学生视野，从而有效地提高课堂教学质量。

以二阶动态电路分析为例，由于MATLAB有着强大的微分运算以及作图能力，只需学生建立正确的模型，便可从复杂繁琐的数学计算中解脱出来。

二阶电路如图1所示，已知电压源us=10v，R1=4Ω，R2=0.2Ω，C1时开关闭合，试绘出电容电压Uc的波形。

由电路理论可得出电路的状态方程表示如下：

通过MATLAB编写M文件，给电路元件赋值，描述方程，即可调用函数做出得出所要求波形如图2所示，省去了中间复杂的数学计算，达到简单计算、直观看结果的效果。

（二）MATLAB在自动控制课程中的应用

PID控制器在工业现场应用非常广泛，是在自动控制课程中的重要内容。PID控制模型如下图3所示。

首先根据给定值rin（t）与实际输出值yout（t）构成控制偏差：error（t）=rin（t）-yout（t）。分析PID控制规律（kp比例系数；TI积分时间常数；TD微分时间常数）：

接着编写S函数，分析比例、微分、积分控制对系统的影响。比例、微分、积分对系统的影响曲线图如图4所示。

学生按照不同的数值分析结果，得到最终的结论：（1）比例系数增大，闭环系统的灵敏度增加，稳态误差减小，系统振荡增强；（2）可以提高系统的型别，使系统由有差变为无差；积分作用太强会导致闭环系统不稳定；（3）微分有预报作用，会使系统的超调量减小，响应时间变快。

从不同的仿真测试中，学生自主探索，培养了自主探索、学习、研究的学习能力。

（三）MATLAB在通信系统课程中的应用

MATLAB提供了通带模拟调制解调模型、基带模拟调制解调模型、通带数字调制解调模型、基带数字调制解调模型等工具，为模拟信号调制解调、数字信号调制解调提供了很方便的工具。在实际教学中可快速建立直观模型，令学生更容易理解深奥的理论知识。

以频率调制解调为例，在教学过程中首先利用MATLAB的调频通带模块、调频解调模型、方差计算模块等工具建立仿真测试模型，其模型如下图5所示。接着按照实际电路设置各个模块参数，执行仿真，利用虚拟示波器观察每个阶段的仿真波形，各个模块输出的波形如图6所示（图中四个波形分别是被调制信号、调频后输出信号、解调后输出信号、信道输出信号）。最后根据波形分析实验结果与理论的差别，进而对现有系统进行改进创新。

三、教学效果

在电类课程中利用MATLAB作为辅助教学工具，学生通过使用MATLAB工具进行分析模型、建立模型到最后的仿真测试，将纯理论的知识图形化界面展示，将实验实践过程直观化、形象化，既帮助学生掌握理解学习知识，又利于学生在课外进行创新实践。对理论性特强的课程，能结合实际工程问题改进模型参数，从而得到更为理想的效果。学生在学习中得到乐趣，提高了学生的动手能力、发现问题、解决问题的能力。

MATLAB对电类电路基础、自动控制原理、通信系统等课程进行建立仿真测试系统，教学效果良好。由于MATLAB强大的计算能力和仿真能力，已被诸多电类课程作为教学辅助基本工具。

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