Multisim仿真软件在电工电子技术课程教学中的应用研究*

罗杰 单澜 何群英

浙江同济科技职业学院 浙江 杭州 311231

引言

随着我国科学技术的不断发展，为了实现从劳动密集型向技术密集型转变[1]，社会对技术人才的要求已经从专业型人才向复合型人才方向转变。对于机械专业，已经不单单要求学生掌握扎实的机械知识，同时要求学生具备一定的电工电子方面的知识[2]。因此，需要高职院校改革课程教学体系，培养同时具备机械和电工电子知识的高素质技能人才。

1 电工电子技术教学现状

为了提高学生电工电子方面的技能水平，高职院校开设了电工电子技术课程并设立了实训室。但是随着高职扩招导致学生人数激增，同时受限于资金和场地原因，实训室并不能满足所有学生的实训教学任务。同时，学生的基础知识薄弱，实践动手能力较差，成绩也普遍较差[3]，在完成电工电子实训任务时存在很大的安全隐患，这极大地制约了学生动手能力的培养。

出于现状考虑，本课程决定引入Multisim仿真软件，Multisim具备较强的计算机仿真与虚拟仪器技术，学生通过仿真软件完成电路的搭建、仿真及实验，不仅保证了教学效果和安全性，同时提高了学生对电工电子元器件进行操作、搭建及调试的能力。本文以直流电路的电功率仿真实验为例阐述Multisim仿真软件在本课程中的具体教学实践。

2 基于Multisim的仿真实验

Multisim是由美国国家仪器有限公司开发的用于仿真电路设计的软件，它不仅支持电路原理图的图形输入，同时提供各类电子元器件和仪器仪表，具有仿真能力强大、界面直观等优点[5]。

2.1 直流电路的电功率仿真简介

在实际应用中，计算电子元器件的电功率是一项基本任务，为了学生能够更加直观地感受电功率的计算方法和原理，本文设计了一种直流电路的电功率仿真实验[4]。该电路结构简单且含有常用电子元器件，主要有电流表、电压表、负载灯泡和直流电源等。

2.2 测量灯泡的损耗功率仿真电路

2.2.1 设计电路。完整的灯泡的损耗功率仿真电路包含了以下电子元器件和仪器仪表：灯泡、电阻、直流电源、电流表、电压表、功率表等。为了测量灯泡的损耗功率，需要将灯泡、电阻、直流电源和电流表串联起来，同时需要将电压表与灯泡并联起来，电流表和电压表分别用来测量电路中的电流和电压的大小，最后根据损耗功率与电流和电压的关系得到损耗功率的大小。

2.2.2 绘制仿真电路图。利用Multisim仿真软件提供的丰富的元器件库与虚拟元器件，完成测量灯泡的损耗功率仿真电路的绘制，电路图如图1所示。其中A1为电流表，U1为电压表，XWM1为功率表，R1的电阻值为1Ω，灯泡的额定电压和额定功率分别为12V和25W，直流电源的电压为12V。

图1 直流电路的电功率仿真电路图

2.2.3 仿真运行。Multisim仿真软件提供了强大的仿真功能，对测量灯泡的损耗功率仿真电路进行仿真，得到的仿真结果如图2所示。测得流经该电路的电流大小为1.775A，灯泡两端的电压大小为10.225V，根据计算功率的公式得到灯泡的损耗功率为18.149W，与图中功率表的读数18.151W非常接近。经分析，该误差是由于电流和电压进行四舍五入导致的，因此验证仿真结果准确。

图2 仿真运行结果

2.3 负载电阻获得最大传输功率仿真电路

2.3.1 设计电路。为了对功率损耗有更加直观的感受，设计了一个负载电阻获得最大传输功率仿真电路，该电路图如图3所示。通过该电路，学生需要完成一项探究任务，探究负载电阻在什么条件下可以从电源处获得最大功率，以及负载电阻与传输效率之间的关系。

图3 负载电阻获得最大传输功率仿真电路

2.3.2 仿真运行。运行该电路，观察记录XWM1和XWM2显示的读数，得到XWM1和XWM2的值分别为72mW和36mW，因此该电路的传输效率η为50%。

2.3.3 探究。为了探究负载电阻R2的电阻值与传输效率之间的关系，因此需要改变负载电阻R2的电阻值，记录不同电阻值下负载电阻R2的损耗功率及该电路的传输效率，记录结果如表1所示。

根据表1的数据，可以得出以下结论：①当负载电阻R2电阻值小于1000Ω时，负载电阻R2的损耗功率随着电阻值的增大而增大；当负载电阻R2电阻值大于1000Ω时，负载电阻R2的损耗功率随着电阻值的增大而减小。因此只有当负载电阻R2电阻值与内阻R1相等时，负载电阻R2的损耗功率达到最大。②该电路的传输效率随着负载电阻R2电阻值的增大而增大，因此如果想要提高电路的传输效率，应当提高负载电阻的电阻值或降低内阻的电阻值。

表1 负载电阻R2的损耗功率及该电路的传输效率

3 Multisim仿真软件的优势

3.1 课程内容重构

利用Multisim软件强大的电路仿真功能，创设真实问题情境，将所学知识与实际生活有机结合，提高学生对知识的应用能力。对于本文所示的仿真电路，为了提高经济效益，往往需要提高电路的传输效率，在这个真实问题情境下，让学生完成对问题的自主探究，在传授知识的同时对实际应用也有了进一步的认识。

3.2 课堂教学方法改革

仿真教学不同于理论教学，以往电工电子技术课程常采用课堂理论教学的形式，学生的学习兴趣不高且严重脱离实际。为了解决这个问题，本课程采用以学科的基本概念和原理为中心的项目式教学方式，学生在完成项目的同时，可以将理论知识应用到实际生活中，起到融会贯通的作用。

3.3 评价方式改革

由于采用了项目式的学习方式，因此也需要对评价方式进行相应的改革。对于本课程而言，除了会使用理论知识解题以外，还要求学生能够在仿真软件中创建与实际问题相应的电路图来解决实际问题。因此，本课程的评价方式采用理论和仿真相结合的方式。老师需要对仿真的过程和结果进行综合评价，保证学生对整个项目有充分的理解。

4 Multisim仿真软件在电工电子课程教学中的价值与意义

4.1 提高学生的实践动手能力

学生在掌握理论基础知识的前提下，应用Multisim仿真软件将理论知识应用于仿真环境中，可以进一步巩固理论知识基础，同时要求学生完成电路的搭建、仿真和测试工作，结合项目式教学设计，创建完整的电路图，学生的专业核心技能和实践动手能力得到了很大的提高。

4.2 保证教学安全性和提高趣味性

电工电子技术涉及众多电子元器件，需要学生牢固掌握相关知识，但是学生前期基础薄弱，很容易在操作过程中发生安全事故。因此为了保证安全性，提供一种可靠的电工电子仿真平台非常重要。同时通过丰富的项目化教学，学生既可以通过软件建立电路原理图，还可以通过仿真让电路运行起来，提高了学习的趣味性。

4.3 课程改革的成效

在电工电子技术课程中应用Multisim仿真软件后，避免了学生只会做枯燥乏味的理论题目，同时学生在课上还能搭建与实际环境一样的电路模型，因此，学生在课上的学习积极性明显提高，可以更加有助于知识的掌握。

5 结束语

综上所述，基于Multisim仿真软件的电工电子仿真教学，既保证了教学安全性，同时还培养了学生实践动手能力，提高了教学趣味性。以项目化教学为载体，通过搭建仿真电路，实现知识与技能的双向融合。在信息化时代背景下，计算机仿真软件技术在电工电子课程教学中的应用必将得到大力推广。