MATLAB仿真在《电路》课程教学中的应用

王河山 罗勇 李忠文 辛健斌

摘  要：作为电工类专业的核心课程，《电路》的可视化教学与研究对电气类专业学生后续的学习十分重要。《电路》课程由于其较强的理论性、抽象性和操作性，使得学生在学习时不易直观理解和贯通。本文将MATLAB仿真软件引入到传统的《电路》理论教学过程中，利用仿真软件的可视化强、可操作性高等优点，以达到激发学生兴趣、提升学习效率、增强学生动手实践能力的目的。

关键词：电路 MATLAB 可视化 教学方法

【中图分类号】G642.4                【文献识别码】A                【文章编号】

Application of MATLAB Simulation in the Teaching of <Circuit>

WANG Heshan  LUO Yong  LI Zhongwen  XIN Jianbin

（School of Electrical Engineering， China. Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan Province， 450001 China）

Abstract： As a core course for electrical majors， the visual teaching and research of <Circuits > course is very important for the follow-up study of electrical students. Due to its strong theory， abstract ion and operability， the course <Circuits> is not easy for students to understand intuitively and coherently while learning. In this paper， MATLAB simulation software is introduced into the traditional theoretical teaching process to take the advantages of strong visualization and operability of simulation software in order to stimulate the students' interest， enhance learning efficiency， and increase their hands-on practical ability.

Key Words： Circuit; MATLAB; Visualization; Teaching method

在電气工程专业培养过程中，需要涉及具有强理论性、高实践性和广泛应用性的课程，以达到使学生充分掌握专业技能的要求。其中，《电路》一直被认为是电力、电气类专业的主要核心课程，是学生进行后续其他相关课程学习的基础[1]。但是《电路》课程有着波形调整分析难、电路图绘制要求细致和公式推导复杂等特点，要求学生具备相关的抽象思维能力和较强的动手能力，从而导致学生不能快速理解和掌握。在传统的教学方式中，课程的配套实验设备要求较高，且在学生操作中容易因为失误而对设备造成损坏，甚至有可能影响人身安全。基于以上原因，众多科研院校都已将MATLAB仿真软件引入到工科类教学中来[2]。

0引言

在《电路》课程传统的教学活动中，教师通常利用板书和PPT的形式将课程所需基本理论知识传授给学生，之后再通过课后安排的作业和课堂例题讲解来让学生更快掌握知识要点和计算方法，最后带领学生进行课程知识要点总结和问题求解，以达到教学要求。但是在此过程中，教师需要将十分抽象的文字描述、复杂的电路图设计和大量的计算公式通过理论和例题分析传授给学生，这不仅仅要求学生时刻保持细心和专注，而且还必须和教师同步进行思考，学生通过画图或者联想的方式构筑虚拟的电路模型，才能初步掌握教师所讲授的知识点。对于学习能力较弱的学生，则无法全面跟上课程的进度及理解教师课堂所讲授的重点和核心，使得学生在理解工作原理和波形分析时较为吃力，概念混淆，逐渐降低学生的学习热情，这样会严重影响教学效率。出现这一个现象的重要原因是在《电路》课程的教学要求中，所涵盖的理论部分和公式过于抽象，使得学生无法对其概念进行直接掌握。针对这一个问题，利用仿真辅助等手段，通过可视化教学，将教学过程中涉及到的抽象概念具体化，可使学生对理论概念有更快、更直观的理解[3]。

在现在的科技世界中，大学生往往不再仅仅依赖于教师的传统讲授，而是更喜欢通过使用计算机系统和智能终端技术等方式来学习和验证抽象课程中的理论知识。教师可以利用学生对计算机感兴趣的这一特点来促进学生学习，这样也可以使得学生能够对课堂上所讲解的抽象知识和理论概念有着更深的理解。

MathWorks公司所开发的科学工程软件——MATLAB是在课程教学中常用的可视化软件，这款软件提供了丰富的电路元件模型，并将各个子功能封装成单独的模块，学生只需要简单的学习便可以掌握和建立电路模型，十分易于操作。其中，Simscape、Power System Block、SimPower Systems等电力系统仿真模块和工具箱对于电路教学仿真实验有着学习简单、建模方便、动态显示仿真波形、结果验证分析等特点。通过MATLAB仿真软件，教师可以安排学生自主完成简单的电路设计和建模仿真。通过将MATLAB仿真软件同传统教学方式相结合，让学生自主去设计开发电路仿真模型，并对结果进行分析和预测，有利于提升学生的学习热情和主动性[4]。

1 MATLAB仿真在教学中的应用

《电路》课程中涉及到许多章节和基础理论知识，为了展示MATLAB仿真软件在教学设计中的优势，笔者选择了戴维宁定理和线性电路分析，来设计教学过程。

1.1 基础理论

在带领学生进行软件仿真之前，仍然需要围绕基础理论向学生介绍概念知识。尽管理论部分较为抽象，不易理解，但却是教学过程的核心。教师在讲授理论知识的过程中将其从抽象到具体、从复杂到形象化是帮助学生吸收消化知识点的关键。在课程进行过程中，对理论部分讲解时，教师应当在遵循教科书的情况下，结合具体实例将理论逐渐展开。从基础公式到概念理解，尤其是公式的条件、适用性和输出结果都需要清晰明了的讲解[5， 6]。本文笔者选取了由邱关源编写的第五版《电路》教材，利用教材知识对戴维宁定理和电路线性分析进行讲解。

在教学安排上，教师在讲解分析戴维宁定理时通常可以分为以下3个主要步骤。（1）定律的前提和背景：对于任意一个含独立电源的线性集总电路网络，无论内部构造简单还是复杂，如果能找到两个引出端可以同外部电路连接，即为有源线性二端（一端口）网络。这句话表达了几个条件，即有源、线性，同时不限于网络的复杂度。（2）在《电路》教材中对戴维宁定理有如下详细描述：“对于一个含有独立短语、线性电阻和受控源的端口，可以用一个电压源和电阻的组合在外电路中等效代换，此时，电压源的激励电压等于外电路两端端口的开路电压，电阻则等于端口内电源归零后的输入电阻。”（3）定理的结论：任一等效电源加一个电阻可用以代替有源二端网络。

同理，教师在讲授基础的知识定理后，便可带领学生进行线性电路分析，以加深学生对电路基础知识理解能力和掌握能力。教师在带领学生进行电路分析时，应该分为以下3个部分进行解析。（1）确定基本分析方法：先进行电路分析，确定采用支路电流法或节点电位法。（2）确定基本定理：要引导学生对电路进行分析后是采用哪种定理，包括但不限于叠加定理、戴维宁或诺顿定理、基尔霍夫定律等。（3）列出公式：引导学生利用电路知识进行数学建模，建立电流方程。

1.2 利用MATLAB仿真软件验证

教师首先按照教学思路向学生讲授基本的电路定律，然后带领学生运用所学定理和基础知识对电路进行分析。确定分析流程后，通过利用MATLAB软件的可视化模块，以验证所举例的戴维宁定理和电路分析过程。通过引导学生可视化模块搭建电路模型，可以使得学生对定律和电路分析过程有着直观的感性理解。

1.2.1戴维宁定理的验证

图1展示了原始的电路，其中，干路电流和端电压数值由输出模块的值表示。图2展示了教师利用戴维宁定理等效后的电路仿真以及输出。

在图1中，选定电压源（Controlled Voltage Source）和常数模块（Constant）为电压模块，给定电压为4V;电流源（Controlled Current Source）和常数模块（Constant）为电流模块，给定电流为3A。通过在Series RLC Branch 模块中引入电阻，设定电阻 和 等于2Ω， 等于4Ω。为了测量电流和电压，引入电流测量模块（Current Measurement）和电压测量模块（Voltage Measurement），同时利用显示模块（Display）来显示具体的电流和电压值以验证戴维宁定律等效后的电路。图2中所采用的模块和图1相同，其中电阻 为1Ω， 阻值等于R3。

通过对比观察图1和图2可以发现，图1中的带有电源的线性二端网络可以等效为图2中电源和电阻的组合，且外电路部分并不发生改变。图1中电流电压测量模块同图2中的电流电压测量模块值相同，进一步验证了戴维宁定理的有效性。至此，采用MATLAB可视化模块来验证戴维宁定理，过程直接简单，较为直接的验证所学定律。

1.2.2电路分析

为了进一步显示MATLAB可视化软件在电路分析中的优势，教师首先通过电路图举例和公式分析对给定电路进行分析，之后利用MATLAB可视化软件建模，引导学生对计算公式进行验证，以达到让学生简单直观学习的目的。

对于图3给定电路，已知 =4 ， =4 ， =4 ， =2 ，电流源 =2A，对于图中受控电流源 和受控电压源 ， =0.5， =4，要求得出电流 和电流

教师首先利用讲授电路知识进行数学建模。由图3可知，以a、b两个节点作为研究对象，设定对应的电压为  和 ，根据基尔霍夫电流方程（KCL）可以列出如下方程：

最终可以计算得到 =6V， =2V; =1A。利用数学公式建模的方法有利于学生复习所学知识，提升思考能力，但是相对来说较为复杂。因此，教师通过所给电路图搭建MATLAB仿真模型如图4所示。

在进行MATLAB可视化仿真时，需要考虑的是对受控电流源和电压源的设计，通过设定放大增益（Gain）模块，可以实现对本节例子中的参数仿真。通过分析图4，可以看出，利用电流测量模块得到的值同利用数学建模得到的值相同，证明了搭建模型的有效性。

通过MATLAB仿真软件的可视化模块来验证戴维宁定律和进行电路分析，能够将较为复杂的数学建模过程变得直观简单，同时能结合教师讲解的分析过程，印证结果，提升学生兴趣和实践能力。

2结语

本文笔者以《电路》课程教材中的戴维宁定律和一个电路分析过程为例，在《电路》的课程教学中直观地展示了MATLAB仿真软件的课程应用。通过将MATLAB软件引入到传统的教学中来，可以有效地提升学生的动手能力和思考能力，引导学生自主的克服学习过程中的难点。在实验教学中引入仿真软件，可以规避由于学生不熟悉电路搭建而造成的实验设備损失和安全问题。基于MATLAB可视化仿真软件来讲解电路知识，也能够加强同学生的互动，并及时对学生问题及进行验证与答复。

参考文献

[1] 王晓晖，曹苏群，郭新年.探索集成电路设计课程与思政教育的融合方法[J].文化创新比较研究，2020， 4（33）：89-91.

[2] 伏乃林.电路仿真软件在电子技术教学实践中的应用[J].科技资讯，2019， 17（15）：194-195.

[3] 罗仁芝.试论可视化大数据在在线教育教学中的应用[J].科技资讯，2020，18（17）：4-5.

[4] 张耀锋.基于Matlab仿真技术在电力电子技术教学中的应用[J].天津中德应用技术大学学报， 2020（5）：38-42.

[5] 王河山，任亚明.基于MATLAB的可视化教学方法在《电路》课程中的应用[J].大众科技，2019， 21（3）：71-73.

[6] 杨丽，陈玮，肖强晖.基于视频和仿真的教学法在电路实验课程中的应用[J].教育现代化，2020，7（7）：54-56.