Multisim辅助电工学实验教学案例分析与启示

张静之 张志雄 王艳新

摘 要 电工学实验是加深学生对理论知识理解和提高学生实践能力不可缺少的一环。在电工学实验教学的具体实施中，Multisim等虚拟实验方式的应用越来越广泛。以两个经典的电工学实验作为具体案例，以实际教学效果为依据，评述传统硬件实验方式和虚拟实验方式各自的优缺点，以及如何取长补短、结合二者优势，更好地开展电工学实验教学。

关键词 电工学实验；虚拟仿真；Multisim仿真；教学改革

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）08-0042-03

Case Analysis and Inspiration of Multisim Assisted Electrotech-nics Experimental Teaching//ZHANG Jingzhi， ZHANG Zhixiong， WANG Yanxin

Abstract The electrotechnics experiment is a necessary step to dee-

pen students understanding on theoretical knowledge and improve students practical capabilities. Virtual experiments such as Multisim are applied more and more during implementation of electrotechnics experiments. Taking two classical electrotechnics experiments as examples， this paper comments advantages and disadvantages of traditional hardware experiments and virtual experiments based on

practical experiment effect and describes how to combine advan-tages of two modes and improve electrotechnics experiment teaching.

Key words electrotechnics experiment； virtual simulation； Multisim simulation； teaching reform

1 引言

电工学系列课程是工科专业的一门专业基础课，是培养工程师和工科思维的基础教程。该课程实践性很强，与现实生活紧密相关，推动该课程理论走向实际、理论与现实结合，是该课程的特色和重要任务。而电工学实验教学的开展，是推动该课程理论走向实践的重要桥梁，有助于培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。本文从具体的教学案例出发，探讨硬件实验和虚拟仿真实验的有机融合模式，为电工学实验教学的发展提供有益启示。

2 日光灯电路参数测量与功率因素的提高实验

日光灯电路参数测量与功率因素的提高实验（简称日光灯实验），在电工实验室采用传统的硬件实验模式，实验平台见图1。该平台接入工频三相四线制供电系统，具有调压功能，配备有熔断器、空气开关等保护装置。由于日光灯实验属于强电实验，具有一定的危险性，除了向学生强调实验纪律，须在专门的电工实验平台上进行实验，以尽量避免危险。实验中的各参数，直接采用电工实验台上的两台功率表进行测量。

日光灯实验的目的是了解日光灯电路的组成、工作原理和实际的线路连接，测量电路中的电压、电流和功率因素，并掌握改善感性电路功率因数的一般方法。日光灯实验电路见图2。

实验的基本过程：先不并联电容接好日光灯电路，测量相应的电压、电流和功率因素；然后依次并联电容C1、C2和C3，测量相应的电压、电流和功率因素。

日光灯实验，连接电线比较多，尤其是要在日光灯正常工作状态下带电测量各器件和各支路上的电压电流，对初次接触本实验的学生非常有挑战性。多年的实验表明，学生在实验中容易犯的错误包括：供电系统接错線，常常将回路接在两根火线之间，或者没有构成完整的供电回路，或者没有接安全保护装置；功率表在电路中的接线错误；电容并联的位置不对；镇流器和日光灯没有连接成串联关系；测量数据时，导致日光灯熄灭；没有接保险装置，偶尔导致整个实验室断电。

学生刚开始实验时，很多人对实验原理还不甚了解，对对应的理论知识还没能掌握，做实验时没有头绪，只能生搬硬套。从《电工学》课本的理论符号过渡到具体的实物，学生普遍反映认知跳跃有点儿大，难以很快将理论知识和实验对象联系起来。因为有这两方面的困难，在规定的时间内，学生能完成整个实验、获得全部正确实验数据的比例不是很高。

3 晶体管共发射极单管交流放大电路实验

晶体管共发射极单管交流放大电路实验（简称单管放大实验），传统上也是采用硬件实验模式。近年来，随着Multisim使用的普遍化，实验室也用Multisim虚拟仿真实验取代传统的硬件实验，让学生直接在计算机上完成整个单管放大实验过程。

单管放大实验的目的是掌握静态工作点的测量和调节以及对波形失真的影响，掌握放大电路工作特性，以及放大倍数、输入电阻和输入电阻的测量方法。单管放大实验电路见图3。

实验基本步骤：先搭建直流通路，通过调节可调电阻RW，设置好合适的静态工作点；然后接上交流信号源，在不同负载电阻的情况下，分别测量输入电压和输出电压，并观察输入波形和输出波形。Multisim仿真电路图见图4。

将单管放大实验从硬件实验模式改为虚拟仿真实验模式后，学生实验的进度明显加快，对虚拟仪表的使用，经历了一个短暂的不适应后，很快就能熟练使用了，并正确地获得要求的各项实验数据。学生普遍反映，虚拟仿真实验符号系统与理论课程比较接近，比较容易搭建仿真电路，而且虚拟仪表没有故障，测量准确，也没有使用个数的限制，使用起来非常方便。

不过，在虚拟仿真实验过程中也出现一些不好的现象：

1）学生做实验的兴趣显著降低，表示在计算机上做仿真实验没有做实验的感觉，只是一次平常的计算机操作；

2）实验过后，学生对实际的电阻、电容、三极管等元器件还是不认识，也不知如何挑选和使用；

3）对于实际的信号发生器、万用表和示波器等，学生也不大会使用，但表示与Multisim中的虚拟仪器仪表的形状和功能有相似的地方。

4 实验模式改进的启示

日光灯实验的硬件实验模式表明，在课本理论知识掌握尚不到位的情况下直接进行硬件实验，学生认知上跨度太大。而单管放大实验的Multisim仿真实验模式表明，只进行虚拟仿真实验，虽然对课程理论知识验证效果较好，但学生对具体原件器和仪器仪表的认识使用不到位，发现和解决故障的能力欠缺，严重削弱了实践能力的培养。

两种实验模式的具体教学效果给出这样的启示：应该结合硬件实验和虚拟仿真实验这两种模式，进行混合式实验，而不是非此即彼的单一实验模式，以达到取长补短，增强电工学实验教学效果的目的。

考虑到虚拟仿真实验的特点，在做硬件实验之前，建议先做仿真实验，起到复习和验证理论知识的作用，加深学生对理论知识的理解，同时使学生熟悉实验电路，对整个实验过程有一个全面的认识。虚拟仪器仪表的测量，可以使学生对实际的仪器仪表形状有一个大概的认识，还能使他们掌握仪器仪表的正确测量方法，以及不同仪器仪表的一般功能和设置。

可以说，虚拟仿真实验刚好是课本理论知识和硬件实验之间的桥梁，有利于解决认知跨度大的问题。总的来说，先做虚拟仿真实验，有利于促进学生理论知识向实际运用的认知迁移。

在虚拟仿真实验顺利通过后，再进行硬件实验。学生对实验原理和实验电路已经比较了解，只需要专注于實际电路的搭建，也掌握了仪器仪表的适用范围和一般使用方法，经过摸索和尝试，很快就能掌握实际仪表的使用；同时加深对元器件和仪器仪表的认识，碰到故障和问题，也能够基于理论知识进行判断和解决。

基于虚实结合开展混合实验的理念指导，按照先虚拟仿真实验、再硬件实验的操作方法，小批量组织学生进行混合实验的教学尝试。实践结果表明，虚拟仿真实验对学生复习和深化理解书本理论知识起到积极作用，相当于一种强化型的硬件实验预习；在硬件实验过程中，学生的实验目的非常明确，实验进度明显加快，一般都圆满完成了实验，获得满意的实验数据。

另一个显著变化是，实验室硬件损耗明显降低，这表明学生在虚拟仿真实验中已经进行部分试错，并积累了经验，在随后的硬件实验中避免了一些错误操作。

5 结束语

从电工学实验教学的两个具体案例——日光灯实验和单管放大实验的实施中，分别看到传统硬件实验和当前流行的虚拟仿真实验各自的优缺点。推进硬件实验和虚拟仿真实验的虚实结合实验模式，应该是电工学实验教学改革的方向，而不是着力于硬件实验向虚拟仿真实验转移，以致从一个极端走到另一个极端。小批量学生的混合实验结果表明，先虚拟仿真实验、再硬件实验的混合实验模式，能显著增强实验教学效果。

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