以仿真辅助电工教学的案例实践与思考

曹玲玲 朱雪秦 潘学伟

（哈尔滨工业大学（深圳）机电工程与自动化学院 广东·深圳 518055）

0 引言

电工学，即电工与电子技术，是面向全校所有非电类专业的一门技术基础课。目前哈工大深圳校区开设该课程的有机械、材料、环境、计算机四个专业，每年涉及学生人数近八百，随着校区本科生规模逐渐扩大，学生人数持续增加。笔者经过几年的教学实践，发现了课程中存在的问题，经过思考和探究，认为在课程中以仿真技术为辅助有利于填补现有教学深度不足的问题，并有助于提高学生的自主学习及设计思考能力。

1 当前课程存在的主要问题

1.1 学习重视度的欠缺

由于授课对象为非电类大一或大二新生，尚未进行工程实训，部分学生未能全面了解工科就业环境，甚至认为将来不可能做“电工”，因此在非电类专业中普遍存在对课程重视度不够的问题。所谓态度决定高度，如果学生态度敷衍，不能从思想上重视该课程，必将影响最终学习效果。

1.2 学习兴趣的欠缺

目前电工学仅设置了56学时，但包含电路、模拟电子及数字电子三部分内容，因此课堂讲授进度较快。此外，现有教学主要通过课堂PPT及板书授课，较为枯燥，学生难以长时间集中精力。特别是当课程中出现较难内容而学生未能及时掌握时，容易形成知识难点堆积，畏难情绪的积累使学生的学习积极性进一步下降。

1.3 设计环节的欠缺

电工学课程本身已存在教学内容丰富但学时少的问题[1]，很难在现有学时内再增加设计环节。现有的电工理论课和实验课，大多对基础原理进行解释及验证，并未引导学生运用所学知识从不同思路完成设计要求，设计思维锻炼的欠缺使得学以致用的终极教学目标很难实现。

2 仿真辅助的学习方法探索

如何在有限课时内，提高学生学习兴趣并锻炼学生设计思维，是电工学课程亟须解决的问题。传统的实验教学是非常有效的解决方案[2]，通过让学生动手操作来培养兴趣及提高能力，然而实验教学过于依赖实验室硬件条件，学生需要在指定时间和指定地点完成实验。相较而言，笔者认为利用仿真技术同样能够帮助学生思考与设计，并且不需依赖实验室硬件，使得学生能够随时随地对所想进行仿真验证。

常用的电学仿真软件有 Saber、Psim、Multisim[3]、LTspice等几种，具有学生易上手、元器件库丰富、仿真数据可靠等优势，许多高校选购了以上软件，其中LTspice作为一款免费开放版权的软件，更是受到广大师生的欢迎。

下文以运算放大器为例，在Saber软件中详析仿真技术在电工学中的作用。

2.1 求和电路理论回顾

电工学课程介绍了两种典型求和运算电路：反相加法器和同相加法器，如图1所示[4]。

在图1(a)中，根据运放的虚断和虚短特点，由关系式i1+i2=iF可推导输出电压为

图1：求和运算电路

可推导出输出电压为

根据电工学课程目标，要求学生能够推导输入信号和输出信号之间的关系，并能够设计一些简单的电路。至此，学生完成了课程的基本要求，但并不意味着能够在实际应用中合理选择设计这些运算电路。

2.2 求和电路应用设计

在某电子设计竞赛中，要求运用DSP芯片进行信号处理。由于采样信号为交流，需要对其进行处理，使A/D采样的电压范围为0-3V。学生设计了同相加法器，将输入交流采样信号与固定直流电压相加，在实验室搭建了电路，却在调试中发现直流电压端口出现了交流分量，实验现象超出了电工学课程课堂所授。为求证，在Saber仿真软件中搭建了如图2所示的电路图。

图2：利用同相加法器实现的求和电路

在图2(a)中，利用并联稳压器二极管（LM336-2.5）输出稳定2.5V电压，再分压得到ui（11.25V），最后与交流采样电压 us（-0.5V～0.5V）相加，使最终输出电压范围为0.75V～1.75V。为贴近实际电路，在Saber软件中使用了真实运放LF353。经仿真发现图中ui1处不再是稳定的1.25V，而是叠加了一部分交流信号，与实验结果相符。

为解释该实验现象，对图2(a)所示电路进行分析。运用戴维南定理及诺顿定理，将其中的2.5V直流稳压及分压电路进行等效，得到图2(b)中的等效电压源。由于电源的非理想性，等效电压源串联电阻构成同相加法器输入电阻的一部分，由交流源、等效电压源与运放输入电阻形成回路，回路电流必含有一定交流分量，则ui2处的电压含有交流分量，也即受到交流采样电压us的影响。

再重新回到基本电工学课程，在同相加法器中，两输入源互相干扰的最根本原因在于运放的输入阻抗极大，具有虚断特性，使得输入源之间形成回路。

现实世界并无理想电源，因此被其他输入源干扰的现象不可避免，需要寻找更适合的解决方案。为完成前文所述设计目标，亦可采用反相加法器，如图3所示。由于运放反相端电压u-虚地，等效电压源支路不再流过正弦电流，即不受另一正弦输入源的干扰。

图3：利用反相加法器实现的求和电路

图4给出了Saber仿真结果，分别对应图2(a)、图2(b)和图3中的ui1、ui2和ui3。可见，ui1和ui2等效，均受到正弦输入的干扰，含有一定正弦分量；而ui3为稳定直流信号，不受另一输入源的影响。

图4：Saber仿真结果

通过上述案例，可以发现，如果局限于课堂讲授，学生只能掌握到电工学的基本原理，在将来的生产实践中，仍然有可能面对实际问题束手无策。然而，有了仿真技术的辅助，学生可以进一步深入理解课堂所学，也能够在设计实践中快速验证，在一定程度上培养了学生的设计思维，并加快了项目的进程。

3 结语

综上所述，在电工学课程中辅助以仿真技术，能够克服电工学课时少内容多的困难，帮助学生掌握、理解并升华所学理论知识，提高学生自主学习能力和学习兴趣；与实验辅助手段不同，仿真辅助不受空间和时间的限制，具有更大的自由度；并且能够提高学生的创新设计思维能力，真正实现学以致用。