虚拟仿真技术辅助电路课堂教学与实验

张瑞，吕宗旺，付麦霞

（河南工业大学 信息科学与工程学院，河南 郑州 450001）

电路分析是电子信息类专业的一门理论性很强的专业基础课[1-3]，对于后续专业课程的学习有很强的支撑作用，在整个电子信息类专业的人才培养方案和课程体系中起着承前启后的关键作用，也是很多高校的考研科目之一.该课程物理概念较多，理论性强，涉及的分析方法密集，同时与实际工程技术又有较紧密的联系[4].新工科理念的提出[5-6]，促使电路课程进行更深入的教学改革.

Multisim 仿真软件非常适合电路设计仿真[7]，设计者可以直接从Multisim 软件库中找到常用的各种型号和功能的元器件，避免了在硬件实验过程中对各种元器件调试，并且软件自带示波器、信号发生仪等仪器仪表，使得观察的仿真结果形象、直观，与真实的测量结果一致性较高.为了使电路理论形象化，将虚拟仿真技术引入教学[8-10]，辅助理论学习和实验，使学生的学习更加深入，并提高学习的积极性和主观能动性，从而呈现教育教学的新质量.

1 电路分析教学中存在的问题

1.1 分析方法多，理论性强且抽象

电路课程理论分析方法较多，所学内容涉及高等数学和大学物理等课程的基础知识，学生不但需要将以前的微积分、一阶微分方程求解、线性代数等相关概念、求解方法应用于新知识，还需要接收较多的新内容，容易产生问题积累.同时，低年级的学生专业基础较弱，而课堂授课过程中通常只能以理论讲解为主，而实际应用结合较少，学生学习过程中对理论知识缺少直观感受，理解肤浅，难学易忘.

1.2 硬件实验受场地和时间限制

硬件实验场地与理论教室是分开的，实验学时有限.受上课场地的影响不能将该门课程中所讲的重点内容进行具体的、形象的实践，导致学生难以真正理解相关知识点.即使有部分知识点有对应硬件实验，但是由于时间与理论教学不同步，实验时间不充分，学生容易为做实验而做实验，不能充分发挥实验的作用.

1.3 学生学习模式需要改进

大一第二学期学生还不能完全从高中的学习模式过渡到大学的生活和学习模式当中，过度依赖教师的课堂讲解，自主学习、知识拓展能动性有待进一步提高.

2 虚拟仿真辅助课堂和实验教学实例

以RC 一阶动态电路（见图1）的响应为例.

图1 一阶RC 动态电路

2.1 对应课堂教学知识点

2.1.1 零状态响应 设t=0-时，uc（0-）=0 V，即为零状态.t≥0时，开关S 闭合到a.电路中的u c(t)根据定义为零状态响应，故

式中：τ=RC=0.01 s=10 ms为时间常数.根据数学知识，uc（t）的VCR 曲线应该向10 V 无限逼近，为电容的充电过程.

2.1.2 零输入响应 设t=0-时，uc（0-）=10 V.t≥ 0时，开关S闭合到b.电路中的u c（t）根据定义为零输入响应，故

式中：τ=RC=0.01 s=10 ms为时间常数.根据数学知识，uc（t）的VCR 曲线应该从10 V 向0 V 无限逼近，为电容的放电过程.

2.1.3 全响应 设t=0-时，uc（0-）=10 V .t≥ 0时，开关S 闭合到a.电路中的u c（t）根据定义为零状态响应，故

式中：τ=RC=0.01 s=10 ms为时间常数.

学生对这些知识点的理解极大地依赖数学理论，数学理论不扎实的学生理解起来更加困难，不形象，不生动.

2.2 Multisim 虚拟仿真技术辅助理论课堂

将Multisim 仿真软件引入理论课堂教学，课前用Multisim 仿真软件设计好电路，利用媒体设备向学生展示电路运行时的状态和结果.根据需要灵活地改变电路中的各种参数，使学生更加形象具体地认识参数对电路运行状态的影响，进而对基本电路分析理论和方法有更深入、直观的认知，同时鼓励学生自行发挥，重新设计电路，使学生在设计中理解电路各个参数的运用和测量方法，提高了学生的学习兴趣和教学效果.

2.2.1 零状态响应虚拟仿真 对零状态响应，用Multisim 画出电路（见图2）.可以借助Multisim，观察u c（t）的瞬态值（见图3）.也可以用示波器向学生展示u c（t）的曲线（见图4），同时还能在示波器上定位uc（0-）=0 V .

图2 RC 充电电路（零状态响应）

图3 u c（t）（零状态响应）的虚拟仿真曲线

图4 零状态响应中用示波器展示时间常数

2.2.2 零输入响应虚拟仿真 对零输入响应，用Multisim 画出电路（见图5）.可以借助Multisim，观察u c（t）的瞬态值（见图6）.也可以用示波器向学生展示u c（t）的曲线（见图7），同时还能在示波器上定位uc（0-）=10 V .

图5 RC 放电电路（零输入响应）

图6 u c（t）（零输入响应）的虚拟仿真曲线

图7 零输入响应中用示波器展示时间常数

2.2.3 全响应虚拟仿真 若在电路的运行过程中，将开关不断在a，b 之间切换，观察波形.用Multisim 画出电路（见图8），用示波器观察到u c（t）的波形（见图9）.

图8 全响应电路图

图9 uc（t）在方波信号激励下的全响应

2.3 对应实验

学生需要借助示波器观察RC 电路的零输入响应、零状态响应、全响应，电路的激励为方波信号.需要在示波器中读出时间常数τ的值，并与实际电路中τ=RC的值比较.

2.4 Multisim 虚拟仿真技术辅助实验

这些知识点的虚拟仿真已经演示过，学生只需要在实验前自行用软件操作，加深理解相关理论，尤其是在时间轴如何找到时间常数τ，以便线下硬件实验的顺利进行.

借助仿真软件，通过对电路进行仿真，来验证相关知识点的内容，可以在任意时间、任意地点进行实验，不需要实验器材，可以多样扩展，实验效率也会大幅提高.学生通过仿真软件，不需要去实验室就可以完成理论的检验.

3 结语

将虚拟仿真软件Multisim 应用于电路分析课程教学，通过虚拟仿真软件改变电路的参数，形象展示电路的原理和规律，将电路分析理论和实验项目相结合，有效提高了学生对电路理论知识的理解.