仿真软件在电学解题中的应用

物理是一门以实验为依托的基础性学科。学生学习物理，在充分经历科学探究的过程中学习科学研究方法，可以锻炼实践能力和创新能力，养成科学态度和精神^[1]。笔者将以第38届全国中学生物理竞赛预赛压轴题为例，讲解如何利用电子设计自动化（Electronic design automation，缩写EDA）软件进行虚拟实验探究解题。物理竞赛题目难度大，涵盖知识范围广，一些实验探究题目的分析解答还需要器材支撑，但一般的高中物理实验室难以操作综合型、扩展型的电路实验，无法满足需求。教师指导学生利用EDA软件对动态电路进行仿真实验，实现电路分析过程的可视化动态显示，有利于学生探究、验证、解题，同时可降低实验成本。

一、电学仿真软件助力思维可视化的可行性

EDA是在CAD技术基础上发展起来的计算机设计系统，被誉为“芯片之母”。电路仿真可用于模拟传统电子设计中的电路搭建和性能测试。设计人员将目标电路的原理图输入到由EDA软件建立的仿真器中，利用软件提供的仿真工具（包括仿真测试仪器和电子器件仿真模型的参数库）对电路的实际工作情况进行模拟。NI Multisim是一款优秀的EDA软件，它是以Windows系统为平台的仿真工具，操作简单，功能强大，可用于电学虚拟仿真实验。

学习本质上是一种思维活动。学生在实验中有效思考可引发高阶思维，促进自身深度学习。物理教学的重点是从提炼物理知识体系层，深入到提升思维能力层。教师在教学中应尽可能利用信息技术构建可视化新型课堂，高效、系统地提高学生思维能力。思维可视化的重要手段之一就是开展虚拟仿真实验，通过图表等将思维呈现出来，将抽象的物理量进行可视化呈现。这样可以有力地促进学生深度思考，培养学生解决问题的能力，提高学生物理学科核心素养。

二、案例问题呈现

全国中学生物理竞赛是教育部门认可的高水平赛事，在高中综合评价和强基计划中起到重要作用，被师生关注。2021年9月4日，第38届全国中学生物理竞赛预赛正式开赛。此次竞赛选择题第5题和解答题第16题，都可借助EDA技术辅助解答，其中第16题（满分40分）原题如下（如图1）。

三、思维可视化仿真实验辅助解题

第16题涉及模电运算放大器知识，难度较大，学生可根据题目中的提示解题，这需要学生有很强的学习能力和临场发挥能力。集成运算放大器加上一定形式的外接电路可构成各种功能的电路（包括能对信号进行加、减、乘、微分和积分的运算电路，有源整流和滤波电路，波形产生和变换电路等），在控制和测量系统中的应用也非常广泛^[2]。

（一）第1问反相比例运算电路解题过程

1.仿真探究验证

（1）直流电压源

首先，教师指导学生在Multisim仿真软件中单击电源按钮，在POWER_SOURCES信号源库中选择DC_POWER直流电压源符号，单击确定按钮，移动光标到电路设计区，用同样的方法分别将电阻、运算放大器、数字万用表等虚拟元器件（仪器）放置到电路工作区，连接电路（如图2）。然后，学生双击相应元器件符号，设置输入直流电压值U_in=2.8 V，电阻R₁=10 kΩ，R_f= 33 kΩ;双击万用表仪器符号，设置万用表操作面板上的功能选择按钮为电压，信号模式为直流。最后，学生单击仿真启动开关按钮，通过电压表显示输出电压为U_out=-9.24 V。学生改变电阻、电压等参数，多次仿真，记录数据（见表1），分析U_out和U_in的比例关系，得出结论：                ，R₁和R_f的阻值决定输出电压为U_out的放大倍数，U_out和U_in相位相反。

（2）交流电压源

学生在Multisim仿真软件中，连接电路（如图3），设置（输入信号）交流电压为2.8 V，频率为780 Hz，设定R₁=10 kΩ，R_f=33 kΩ，分析双通道示波器仿真显示输入和输出电压波形的关系，加深理解。学生双击双通道示波器，设置时基标度为500 us/Div，用于设置示波器的时间基准，即以x轴方向（水平方向）上每个刻度代表时间;根据输入信号大小设置示波器通道A和B的刻度5 V/Div，即以y轴方向（垂直方向）上每个刻度代表电压，借助通道A显示输入电压U_in，借助通道B显示输出电压U_out。学生单击仿真启动开关按钮，通过双通道示波器仿真显示测量结果，输出波形图（如图4）。学生通过改变电阻、电压等参数，多次仿真，分析U_out和U_in的比例关系，同样可得出                     。

2.理论分析

（二）第2问减法电路解题过程

1.仿真探究验证

学生在Multisim仿真软件中，连接电路（如图5），设置（输入信号）交流电压U_in1=10 mV（频率1 kHz），U_in2= 15 mV（频率1 kHz），R₁=20 kΩ，R₂=10kΩ，R₃=10 kΩ，R_f=20 kΩ 。测量结果可通过四通道示波器显示。学生双击四通道示波器，设置时基标度为1 ms/Div，设置示波器通道A、B、C的刻度为20 mV/Div之后，通道A显示输出电压U_out，通道B显示输入电压U_in2，通道C显示输入电压U_in1，通过通道控制旋钮设置通道A、B、C的位移分别是-2、0、2。学生单击Multisim仿真启动开关按钮，借助示波器显示测量结果。在T₁= 2.751 ms时，U_out= -4.925 mV，U_in2= -14.775 mV，U_in1=- 9.850 mV，满足U_out=U_in-U_in1。学生改变电压、电阻等参数，多次仿真分析输出电压U_out与输入信号U_in1和U_in2之间的关系，得出结论：当R_f=R₁，R₂=R₃时，U_out=U_in2-U_in1。

2.理论分析

3.归纳总结

学生通过仿真探究验证，分析得出结论：图1c所示为运算放大器组成的减法电路，两个电压信号分别加在运算放大器的两个输入端，进行减法计算，在输出端输出差信号，当R_f=R₁，R₂=R₃时，U_out=U_in2-U_in1。

（三）第3问反相积分电路解题过程

1.仿真探究验证

学生在Multisim仿真软件中，连接电路（如图6），设置信号发生器参数，对积分电路进行仿真，验证积分电路的功能和性质。函数发生器可以提供三角波、方波和正弦波等不同波形的信号源。学生设置输出信号频率为100 Hz，输出方波的占空比为50%，输出信号的振幅为5 Vp，单击Multisim仿真启动开关按钮，查看示波器仿真结果可知，输入、输出信号满足反相积分的运算关系，改变时间常数可以影响输出三角波的斜率和幅值。

2.理论分析

3.归纳总结

学生通过仿真探究验证，分析得出结论：若将图1b中的反馈电阻R_f换成电容C，反相比例运算电路变成反相积分电路，可将输入矩形波U₀变成三角形波U_out输出，能对信号进行积分运算。

四、总结

仿真实验在高等院校已经开展多年，效果好，发展快。2021年11月4日，华中科技大学参与竞赛，获得全球EDA冠军。笔者从2010年开始尝试在中学物理课程中开展思维可视化仿真教学，在STEM科技创新社团中开展电子设计自动化活动，都达到了预期的教学效果。

实践证明，运用Multisim仿真软件，虚拟仿真探究实验，辅助解题，效果良好。由于不受实验器材、仪器等限制，学生可大胆尝试，通过多次仿真来探究和解题。学生经历实验探究验证—理论分析—归纳总结的解题过程，在解题过程中提升了探究能力和物理学科核心素养。需要指出的是，虚拟实验并不能完全替代实际操作，过多的仿真实验会减弱学生对真实元器件的认知程度，教师在实验教学坚持仿真和传统实验相结合，取长补短，才能取得较好的效果^[3]。对于一些难以用实物演示的、不易观察的暂态分析实验，很多学校不具备真实实验条件，可以让学生通过仿真实验熟悉实验规范操作步骤，为以后实际操作奠定基础。

注：本文系江苏省中小学研究2019年第13期重点资助课题“基于PBL低成本创客教育课程研究”（课题编号：2019JK13-ZA13）的研究成果。

参考文献

[1] 乐露露，元瑶.运用“NB物理实验”软件，提升学科核心素养[J].物理教师，2021（7）：67-70.

[2] 周雪.模拟电子技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2017：117-119.

[3] 马浩洲.Multisim2001仿真软件在电子实验中的应用[J].中小学实验与装备，2010（2）：52-53.

（作者系江苏省涟水县教师发展中心教研员、高级教师）