仿真软件在高校电工电子实验教学中的应用

景远

（东北大学秦皇岛分校 河北省秦皇岛市 066004）

1 引言

电工电子实验是高校面向自动化类、电子信息类、计算机类等专业的本科生开设的必修实验课程，多为《电路原理》、《电子技术基础》和《电工学》等课程的课内实验。良好的实验教学质量对学生学习理论知识有重要的辅助作用，并且可以培养学生的实践能力。电工电子实验课程作为专业基础实验，本着实验项目能实不虚的原则，绝大多数教学工作都在实际实验室中开展，很少利用仿真软件。

近年来，随着国家政策的鼓励和支持，虚拟仿真实验项目受到越来越多的重视。教育部在2018 年发布的教高函<2018>5 号文件《教育部关于开展国家虚拟仿真实践教学项目建设工作的通知》中明确指出，“将实验教学信息化作为高等教育系统性变革的内生变量，以高质量实验教学助推高等教育教学质量变轨超车，助力高等教育强国建设”。2020年开始，高校的教学工作有时必须在线上进行，这成为实验教学开展的极大难题和挑战。为保证教学质量，仿真软件越来越多的被应用到实验教学中。本文选择了近两年应用十分广泛的Multisim 仿真软件和科大奥锐仿真平台，以电路实验中的RC 一阶电路的响应测试为例，深入讨论了仿真软件在高校电工电子实验教学中的应用。

2 仿真软件介绍

2.1 Multisim14.0仿真软件

Multisim14.0 是美国国家仪器NI 有限公司推出的一个以Windows 系统为基础的仿真工具。该软件可以设计并搭建复杂的电工电子电路，仿真环境直观，操做方便，界面简单明了，元件库包含大量常用的电源、仪表、数学模型元件和能发亮发声的元器件等，允许多个仪表同时调用和重复调用，且仪表均具有存储功能，完全能够满足电工电子实验教学的需要，目前在高校电子实验室得到了普遍使用。

Multisim14.0 软件可以对复杂电路进行仿真，操作易上手，学生通过自学即可单独完成电路的搭建和仿真分析，对于分析复杂电路有很大的帮助。使用该软件仅需要一台计算机，做实验不受空间时间的限制，学生可以利用该软件随时随地分析并设计电路。对于电工电子实验教学来说，引导学生使用Multisim 仿真软件不仅可以完成正常教学任务，还可以让学有余力的学生自主设计一些多学科融合的实验项目或在实验室难以开展的实验项目，这对培养学生创新能力有极大的促进作用。

2.2 科大奥锐仿真平台

科大奥锐仿真平台是科大奥锐公司推出的专门针对高校实验教学的仿真软件，目前包括大学物理仿真实验平台和电学仿真实验平台。电学实验平台包括电路、数字电子技术和模拟电子技术等多门课程的实验项目，元器件形象逼真，能够基本还原在真实实验室做实验的场景。使用该仿真软件需要在电脑安装虚拟仿真环境，使用个人账号登录特定网址后可体验实验过程。

由于该仿真平台是专门针对高校实验教学设计的，所以还包括有许多实用的教学环节，例如实验在线演示、实验报告上传及自动批阅、实验成绩自动生成等。科大奥锐仿真平台可以支持几百名学生同时在线，操作界面清晰直观，非常适用于高校电工电子实验教学，目前多所高校都在使用。

3 教学实例

3.1 RC一阶电路响应测试介绍

RC 一阶电路的响应测试是电路实验课程的必修实验项目，实验中会使用到信号源、示波器、若干电容电阻等元件，很适合用虚拟仿真软件观察其波形变化。该实验项目的内容是连接由不同电容、电阻值组成的一阶电路，使用示波器观察零输入、零状态响应的波形变化过程。其中电路激励是由信号发生器提供的方波信号，其频率为1kHz，峰峰值V=2V，前半周期电压值为2V，后半周期电压值为0V。电路激励信号如图1 所示。

图1：电路激励方波信号

在真实的实验环境中，该实验要求学生连接四个电路，其中前两个为正常状态下的零输入和零状态响应过程，通过这两个电路学生能够观察到当电路参数发生改变导致时间常数变化时，对零输入、零状态响应产生的具体影响。后两个电路图分别为积分电路和微分电路，是当时间常数极大或极小时的响应过程。在这两种极端情况下，电容充电和放电的过程会相应的变得极慢或极快，零输入和零状态响应的波形也会发生比较大的变化，学生通过示波器可以清晰明了地观察到波形图的变化过程。实验中的四个电路参数如下：

a. 激励为频率1kHz、峰峰值V=2V 的方波信号，电阻R=600Ω，电容C=0.1μF；

b. 激励为频率1kHz、峰峰值V=2V 的方波信号，电阻R=1000Ω，电容C=0.1μF；

c. 激励为频率1kHz、峰峰值V=2V 的方波信号，电阻R=10kΩ，电容C=0.1μF；

d. 激励为频率1kHz、峰峰值V=2V 的方波信号，电阻R=100Ω，电容C=0.1μF。

其中前三个电路a、b、c 要求用示波器观察电容电压的变化过程，电路图如图2 所示；最后一个电路d 为微分电路，要求用示波器观察电阻电压的变化过程，电路图如图3 所示。

图2：a、b、c 电路图

图3：d 电路图

a、b 电路为正常状态下的一阶电路全响应过程。通过分析容易得知，前半周期当方波信号电压为2V 时，电容处于充电过程，称为零状态响应，后半周期当方波信号电压为0V 时，电容处于放电过程，称为零输入响应。零状态响应电容电压U和电源电压U满足公式：

a、b 电路的激励和响应波形曲线唯一的不同是时间常数不同所导致的电容充电和放电时间不同，零状态响应和零输入响应曲线的上升和下降快慢不同。a、b 电路的响应曲线形状大致相同，其激励和响应曲线均如图4 所示。c 积分电路的响应曲线如图5 所示，d 微分电路的响应曲线如图6 所示。

图4：a、b 电路响应曲线

图5：c（积分电路）响应曲线

图6：d（微分电路）响应曲线

3.2 使用Multisim14.0仿真

学生使用Multisim14.0 仿真软件时，需要在软件运行窗口自行寻找实验所需元器件，按图2、图3 所示电路连接。通过观察不难发现，a、b、c、d 四个电路图电源激励均没有差异，只有电阻值不同，所以本文仅以a 电路为例，完成电路的搭建和仿真。

使用Multisim14.0 软件工作区搭建RC 一阶电路图时，在操作窗口选择可提供正弦波、三角波、方波3 种不同波形信号的电压信号源，调节其输出为频率1kHz、峰峰值2V 的方波信号，再选择示波器、电容及电阻，连接成完整回路。运行之后可在示波器上观察到如图7 所示波形图。

图7：Multisim 软件仿真响应曲线波形图

通过观察图7 的实验结果可以发现，该实验结果与图4的理论结果接近，前半周期是电容充电过程，后半周期电容放电。学生得到此实验结果后，可以自行分析波形的走势，并与理论结果相结合，加深对RC 一阶电路响应过程的理解。

目前笔者已在电路实验教学中开展线上RC 一阶电路响应测试实验项目，并对学生进行问卷调查，以便于总结Multisim14.0 教学实际效果。以自动化专业2020 级的一个班级为例，该班级共有34 名学生，因没有电脑无法完成线上教学1人，其余33名学生同时完成了线上和线下实验教学。从问卷调查结果来看，有25 名同学认为使用Multisim14.0仿真软件完成RC 一阶电路实验没有问题，占比75.8%。有7 名同学认为虚拟仪器尤其是示波器标识不清楚，不容易调节，做完实验感觉没有完全明白。在问到更偏向线上还是线下实验时，超过50%的同学选择线下做实验，认为线下实验使用仪器更直观，更易操作。以上数据显示，学生直接使用Multisim14.0 仿真软件完成线上实验时，由于需要花费时间掌握元件库的使用方法并自选实验器材，对部分学生来说有一定困难。若使用Multisim 仿真软件完成线上实验教学，教师先对学生进行软件使用的统一培训效果会更好。同时Multisim 软件具备十分全面的元件库，适合电工电子实验的扩展教学，待熟练掌握软件使用方法之后，可以鼓励学生自行编辑实验以加深对理论课程的理解，并提高自身创新能力。

3.3 使用科大奥锐电学平台仿真

学生使用科大奥锐电学平台做实验，需要由教师提前编辑好实验内容，选取实验仪器并发布在仿真平台。学生下载安装虚拟实验环境，即可进入实验操作。

科大奥锐仿真平台与真实实验室环境接近，所有仪表及元件都与真实元件类似，学生通过该平台做实验也可以了解实际仪器及相关元件的外观。不同于Multisim 仿真软件，学生使用科大奥锐仿真平台不能自由地在元件库自选元件，而只能用教师提供的电子元件完成实验内容。学生做实验时通过拖拽仪器和简单的鼠标点击连接电路。电路连接完成之后将仪器开关打开即可在示波器观察到响应波形。如果电路连接无误，学生将会在示波器观察到类似图4 的波形图。

在使用科大奥锐仿真平台进行线上实验教学时，同样选择自动化专业的相同的一个班级，除了1 名同学因为没有电脑无法完成线上实验外，其余33 名学生均使用科大奥锐电学平台完成了RC 一阶电路响应测试实验。其中31 名学生认为可以达到线下实验的效果，使用该仿真平台完成线上实验后，能够完全理解实验内容和实验结果，2 名学生认为仅通过线上实验的方式还不足以理解全部实验电路和数据。由此可知，科大奥锐仿真平台的线上实验效果认可度较高，由于该平台环境和实验元件与实际实验室接近，学生更容易接受。科大奥锐仿真平台更适合高校电工电子实验课的日常教学。

4 仿真平台在实验教学的应用效果评价

在高校电工电子实验教学中，使用Multisim14.0 仿真平台和科大奥锐仿真平台均能得到与理论接近的实验结果，学生完全能够使用这两个仿真平台完成实验并分析实验结果。

考虑到实验课上课和管理的情况，科大奥锐仿真平台更适合日常实验教学。该平台功能强大，仿真实验环境接近真实实验室，不仅可以开设电工及电子技术实验项目，教师还可以随时查看学生实验进度，实验报告上传及完成情况等。使用该软件时，教师需要提前熟悉虚拟实验环境，编辑实验项目并发布实验任务，学生按照实验要求在规定的时间内完成线上实验并上传实验报告。由于学生使用科大奥锐仿真平台时只能选择教师规定的实验元件完成实验而不能自行创建实验，所以该实验平台更适合用于必修实验项目的教学工作。

Multisim14.0 仿真软件具备更全面的电子元器件库，学生使用该平台做实验时需自行选择符合实验要求的元件完成电路搭建和连接，所以需要学生花费一定时间熟悉其元件库各个元件的功能属性。由于教师通过该软件无法监测学生学习状态，Multisim14.0 仿真软件更适合作为辅助手段服务于高校电工电子实验教学。

综上所述，以上两款仿真软件都可以在特殊时期学生无法返校时，作为应急手段完成实验教学任务。仿真软件在实验教学中有其天然优势，学生做实验时间更自由，不受时间和场所限制，在实验过程中也不会因为操作不当损坏电子元件，实验环境更安全，针对不易理解的实验环节，学生还可以多花时间反复研究。但是仿真软件的不足也不应忽视。首先，仿真软件的电子元器件趋于理想化，学生使用仿真软件的实验数据基本没有误差，与实际情况不符；其次，有些仪器的功能不如真实仪器全面，如示波器、信号发生器等；最后，由于使用仿真软件必须要有电脑，少数不满足此条件的同学无法进行线上实验。

5 结语

在国家大力推广虚拟仿真实验项目的大环境下，仿真软件介入高校电工电子实验教学是必然趋势。本文以RC 一阶电路响应测试实验为例，探讨了两种应用广泛的仿真软件，Multisim14.0 和科大奥锐仿真平台在高校电工电子实验教学中的应用。在突发疫情学生无法返校的情况下，两种仿真软件基本都可以满足电工电子实验的教学需求。在日常实验教学过程中，仿真软件可作为辅助手段服务于实验教学。学生可在课前先使用仿真软件熟悉实验过程，这样能更全面的理解实验内容，在实际实验室操作更容易上手且不易发生误操作损坏实验仪器。另外，仿真软件也可以开发难度更高、多学科融合的实验项目供感兴趣的学生选择学习。学生可以针对自己想要深入了解的知识自行设计实验并使用仿真软件验证，这样能极大的激发学生的学习热情并锻炼学生的自主创新能力。总之，高校电工电子教学结合仿真软件可以为学生提供更加全面、安全和高效的实验环境，不仅能够让学生更好的理解必修实验项目的相关操作和知识，还可以开设选修实验满足不同层次学生的学习要求。