Multisim在电子技术基础教学中的实践研究

陆运华

(洋浦经济开发区高级技工学校，海南洋浦，578101)

0 引言

随着国家大力发展职业教育，将其提升为与普通教育并列的类型教育，在《国家职业教育改革实施方案（职教20条）》中提出了“三教”改革的任务。我们认为在“三教”改革中，教师是根本，教材是基础，教法是途径，三者相辅相成形成了一个完整的闭环体系。通过“三教”改革使我们更加清晰“谁来教？教什么？如何教？”的问题。

就教法改革现状和需求而言，一方面传统的教学方法忽视了学生的课堂主体地位，不仅很难激发学生的课堂学习兴趣，而且也不利于挖掘学生的潜力。另一方面当下企业对人才的各方面都提出了更高的要求，学生除了要掌握足够的专业文化知识和实践应用技能以外还需要有一定的自主探究学习和创新创造能力。传统课堂的“填鸭式”教育模式所培养出的学生往往缺乏自主探究学习能力和创新创造能力。鉴于此，诸如理虚实一体化教学法、情境教学法、项目教学法、案例教学法等一系列新的教学方法已经在职业教育教学领域应运而生，不仅极大地强化了师生课堂互动，而且也增加了课堂教学的趣味性，这对于改善课堂生态和提高教学质量的促进作用非常明显。因此，职业院校教师要遵循当代学生的认知规律特点，把这些新的教学方法引入课堂教学中，克服传统教学中的不足，改善课堂生态并提高教育教学效果。

据我们调查统计，目前职业学校电类专业的实验实践教学普遍存在以下突出问题：一是实验室管理制度措施落后，众多职业院校的实验室基本上采用封闭式管理，实验室仅在上课时间开放，学生不能自由进入实验室，这样既不利于学生动手能力的提高，也不利于实验室功能价值的发挥；二是资金不足导致实验设备及耗材投入不够，致使职业院校的实验室只能照本宣科地开设常规的几个验证性实验，无法满足学生的创新能力和个性化能力培养的需求，更有甚者，有的学校甚至连基本的实验实训都无法保质保量开足开齐；三是实验手段和方法落后，由于投入不足导致实验设备落后，多数设备年久失修处于瘫痪或半瘫痪状态，实验技术落后，跟不上专业发展的需要，实验仅限于几个简单的验证性实验，甚至半数验证性实验也无法开齐开足。造成的结果只能是从书本到书本，做几个简单的实验应付教务的检查了事，学生的自主探究学习能力、工程实践能力和创新创造能力无法有效提高。

基于职业院校以上堪忧实验实践教学的现状，我们提出采用虚拟仿真软件与理论和实践教学相结合的“理虚实一体化”教学方法来弥补现阶段职业院校电类专业实验实践教学的不足。以期改善课堂生态，提高教育教学效果，为学生的工程实践能力、创新能力及自主学习能力培养奠定基础。

1 虚拟电子电路实验室NI Multisim 14

Multisim 14是美国国家仪器(National Instrument)公司推出的一款以Windows为平台的电子电路虚拟仿真软件，其前身为20世纪80年代加大拿图像交互技术公司Interactive Image Technologies公司的EWB电子工作平台。其一经推出就在模拟和数字电路的设计、仿真验证等工作领域中得到广泛的应用。除此之外它在Labview虚拟仪器、单片机仿真技术等方面也是可圈可点的。

学生、教师甚至是工程师可以像使用其他Windows应用程序一样轻松地利用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真校验。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，并将其图形化。从而让使用者避开生涩难懂的SPICE语句即可快速的进行设计、仿真和分析新的设计，专注于板级的电路设计和仿真，大大提高工作效率。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子技术教师可以轻松完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

在Multisim 14中使用基于工业标准SPICE而提炼的电子元器件、电子与电工仪器和仪表，实现了“符号即元器件”、“图标即仪器”。Multisim 14的元器件库提供数千种参照元件生产厂家技术参数建模的电子电路元器件使得仿真实验更逼近实物电路的运行效果。同时为了提高电子技术教学的形象性、逼真性，其元器件库中还建模有3D元器件，能使仿真分析更加生动、形象。软件还允许使用者新建或扩充已有的元器件库，来更好地扩展我们的应用范围。

NI Multisim 14可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电路、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电故障等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。

2 Multisim14在电子技术基础实践教学中的应用案例分析

当下大多数中职学校传统的电子技术实验教学受制于经费限制，无法购置完备的仪器设备和充足的实验耗材，仅局限于几个常规电路和职业技能等级认定考纲覆盖范围的几个电路实训实验。这样既不利于学生全面掌握电子知识，培养对神秘电子技术殿堂的兴趣爱好，也不利于学生创新能力和终生学习能力的培养。同时对于一些极限实验和破坏性实验根本无法在大多数中职学校的传统实验室里完成。而Multisim14却能很好地弥补传统电子技术实验教学的不足。接下来以电子技术基础实验教学中的两个实验举例说明Multisim 14仿真软件在电类专业实验教学中的运用。

从事电工基础教学的老师大家都有一个共同的感悟，在正弦三相交流电源的讲授时，面对三相正弦交流电源是由三个频率相同、大小相等、相位互差120°的概念讲述特别的苍白无力，普通的实验室又无法完成直观形象地测量三相电源波形的实验，使得我们的教学只能由教师先从讲述三相发电机的构造原理，然后在黑板上作图呈现三相正弦交流电源的波形，不仅费时费力，课堂效率低；而且学生难以理解所教知识内容。

图1 对称三相正弦交流电路仿真实验电路

如若采用Multisim14仿真软件来辅助教学，借助Multisim14自带的元件库和仪表库不仅能够快速地构建仿真实验电路，而且能够通过四踪示波器以用户喜好设定的不同颜色在示波器窗口中动态直观地呈现三相电源的波形，所有的操作跟实验室实际操作非常贴近，大大地提高了课堂教学效率和教学效果。

教师（或学生）只需在相应的元件库和仪器仪表库中按图1所示快速调取所需元器件和仪器仪表至Multisim14工作窗口，合理布局之后连接好仿真电路，设置好器件参数和示波器测量通道电缆的颜色即可运行仿真电路。可通过双击示波器图标打开示波器面板即可直接观测三相正弦交流电源的波形和三相正弦交流电的各项参数（周期、相位、幅度等），如图2所示。

图2 仿真所测的三相正弦交流电的波形和各项参数

示波器的操作与真实仪器的操作非常接近，可以用鼠标非常方便地调节示波器的时基倍率和幅值倍率使示波器显示的波形适合实验者观测即可，同时还可以通过移动两个时间标尺来测量各相交流电的参数及两相交流电之间的相位差。同时该仿真软件还能像电影慢镜头一样呈现三个负载X1～X3按正弦交流电相序轮流交替导通，且各相负载亮度随正弦波幅值变化而变化的动态效果。非常的形象逼真，这也是常规实验中无法实现的。

从图1仿真实验中我们通过交流电流表测量到了中性线的电流示值为零，这也符合对称三相交流电路中性线电流的规律。

我们在图1电路的基础上稍作修改，如图3所示接入两只瓦特表，即可直观快速测得该三相电源电路电源所提供（或负载所消耗）的平均功率为两瓦特表的测量值之和300W，这符合两瓦计法测量三相正弦交流电路的功率方法，也为后续的工程实践提供接线操作方法参考，从而起到“理→虚→实一体化”的教学效果。

图3 采用两瓦计法测量三相电源的功率

非常值得一提的是Multisim还自带了一个电路设计向导功能，实验者只需逐步点击级联菜单Tools→Circuit wizards 下的 555 timer wizard（555 时基向导）、Filter wizard（滤波器向导）、Opamp wizard（运算放大器向导）、CE BJT amplifier wizard（共射极放大电路向导），按着向导步骤设置用户所需参数即可快速生成以上各类经典应用电路，供仿真设计分析之用。

下面我们以生成一个共射极放大电路为例来具体说明，以期起到举一反三、抛砖引玉之用。

实验者只需按图4所示步骤操作，即可弹出如图5所示共发射极放大电路设置向导对话框。

图5 共发射极放大电路设置向导

实验者根据需要在各相应功能区域合理修改输入各项参数之后，点击“Verfy”按钮之后会在如图6所示的Amplifier characteristics区域计算出对应放大电路的最小电压增益、最小电流增益和最大电压增益等参数。

图6 放大参数栏

如果实验者接受上述电路参数，点击“Build circuit”按钮，即可生成电路附着在光标上，移至电路工作窗口的适当区域点击左键即可完成电路放置。然后从右边仪器仪表栏中调取双踪示波器至电路工作窗口适当位置，并将连接至电路的输入端和输出端的A、B通道输入电缆修改为蓝色和红色（导线上单击右键，在弹出菜单中左键单击“Segment color”，在随后弹出颜色标签中选取相应颜色即可），双击打开示波器面板，合理设置水平和垂直显示倍率之后即可测量该共发射极放大电路的输入/输出波形参数如图7所示。

图7 共射极放大电路向导生成电路及参数测量

从以上操作可以看出实验者若能合理利用电路向导工具，即可事半功倍地生成所需要的高质量经典电路并仿真测试，从测量结果可以看出电路的运行效果与我们在向导里设置的预期参数高度吻合，可谓是心想事成。

3 结束语

通过上述实践案例不难看出，NI Multisim 14具有易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学；便于开展综合性的设计和实验，有利于培养学生工程实践能力、开发和创新的能力。

职业院校在电类实验教学中引入Multisim14电子设计自动化仿真软件，辅助电类专业课程实验教学，是未来电类实验教学的发展趋势，不仅可减少实验设备的损耗与更换周期，更重要的是可提高实验效率，激发学生的兴趣，提高学生的动手能力与设计创新能力，使实验课不仅仅局限于实验课中的定理验证与现有实验设备之内的实验，而是把实验与工程应用能力结合起来，对电类实验课程的教学有着极大的促进作用，进一步提高实验教学的灵活性。同时还能拓展电类专业实验（实践）的时空限制，使学生的实验（实践）不受学校实验室开放时间和老师授课时间的限制，更好地培养学生的自主学习能力、探究能力和创新思维能力，为学生终生学习能力的培养奠定坚实的基础。