论文部分内容阅读
◆摘 要：《电路分析》是物联网应用技术专业一门专业基础课程，对学生后续物联网硬件系统核心课程的学习至关重要。但《电路分析》课程理论性强，知识点多，学时短，学生基础参差不齐，导致课堂教学效果不佳。为此，我们将Multisim14.0仿真软件应用到《电路分析》课程教学中，通过以戴维南定理为例进行课程教学案例的设计结果表明，Multisim14.0仿真软件可以将抽象的理论知识直观化、具体化，激发学生的探索欲，培养学生自主学习的能力，从而提高教学效果和学习效率。
◆关键词：Multisim14.0;仿真;电路分析;戴维南定理
物联网应用技术是综合了电子科学与技术、计算机科学与技术、通信工程、控制以及软件工程等多个学科的信息类专业学科。从2011年全国首批31所高校获准开设物联网工程专业至今，设立物联网应用技术专业的高职院校日益增多，为面向物联网应用软件开发、物联网系统测试与实施、单片机软件开发等岗位群培养了大量高素质技术技能型人才。《电路分析》是物联网应用技术专业人才培养方案中的一门专业基础课程，后续与《电子技术》《嵌入式系统》等课程相结合融入整个物联网应用知识体系内，是学生掌握物联网系统软硬件实施和测试必备的理论与应用知识。但《电路分析》课程知识点多，理论性强，涉及大量繁杂的数学推导，电路分析方法灵活多样又彼此关联。这就要求学生不仅具有识读电路图并熟练运用常见电子仪器仪表的能力，还需要有一定的分析计算电路的能力。该课程的学习效果对学生物联网硬件系统核心课程的学习至关重要。
一、高职物联网应用专业《电路分析》课程教学现状与问题
《电路分析》这门课程主要特点如下：①涵盖知识点多，不仅包含了电路的基本概念与定理、直流电路的分析与应用，还包括了一阶线性电路、变压器的结构与特性、三相交流电路以及正弦交流稳态电路的分析与应用等。②与高中物理知识联系紧密。③概念较多，涉及的理论知识较为抽象。④计算量大，而物联网应用专业的学生适应了其它专业课程界面化操作的模式，对计算的普遍不敢兴趣。
目前，大部分高职院校《电路分析》课程设置在大一上学期，教学主要存在的问题如下：①传统教学模式占主导。在传统的教学过程中，主要强调怎样去理解原理、推导公式、分析计算，这种强调知识而忽略体验的教学过程，普遍导致学生学习兴趣不高、教学效果欠佳。②课时不充足。目前该门课程的教学主要以理论课程为主，总课时仅24个课时，课时有限而所需掌握的理论知识点多，教学难度大。③学生基础差异化明显。高职物联网应用技术专业招生基本都为文理兼招的模式，使得大量的文科生也进入到该专业学习，这部分学生的高中物理知识尤其是电路与磁路的知识相对薄弱。相比理科生，文科生学习《电路分析》课程难度相对较大。④实验条件不满足。高职院校往往实验设施有限，要做到人人动手搭建电路，需配备合格的实验管理人员，且依然存在触电、漏电的安全风险。
二、Multisim14.0仿真软件简介
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的基于Windows平台的一款仿真工具，可以方便的对各种电子电路进行设计、仿真和测试，电路分析功能强大。与其他同类型的仿真软件相比具有以下优点：①图形界面直观，操作方便。②具有丰富的元器件库、信号源库、仪器仪表库，并且能够提供多种强大的电路分析方法，不需要人工计算。③仿真过程没有实际元器件和仪器仪表的损耗，成本低、效率高，而且仿真测试通过的电路，可以直接用于实际电路的搭建。④提供PCB设计软件的文件接口，与Ultiboard14.0软件无缝对接，方便转移进行PCB印制电路板设计。⑤与多种办公软件系统相兼容。
鉴于此，借助于物联网专业成熟的计算机网络实验室，将Multisim14.0仿真软件应用到《电路分析》的课程教学中，打破固有的授课方式，将“教师教，学生学”的单一的授课模式转变为“学生探索，教师辅导”的新体验，且不受时间、空间限制，极大的拓展了学生的学习思路，用实践反证理论，提高教学效果和学习效率。
三、《电路分析》课程教学设计案例
《电路分析》课程在直流电路的分析与应用部分介绍了多种电路的分析方法，包括支路电流法、网孔分析法、节点电压法、叠加定理、戴维南定理、诺顿定理等。其中，戴维南定理是电路的等效变换中最重要的一种，可将任何复杂电路转换为等效的双端电路，在电路分析中占有重要地位。其内容为：任何一个有源线性二端网络，对其外部电路来说，都可以用一个电壓源与电阻串联的电路等效代替。其中，电压源的电压等于有源线性二端网络的开路电压;电阻等于有源线性二端网络内部所有独立电源作用为零时（电压源以短路线代替，电流源以开路代替）的等效电阻（也称输入电阻）。这里涉及的概念较多，很多同学感觉晦涩难懂，或者只会生搬硬套去做题，不能从根本上分析理解电路。
以戴维南定理的学习为例，我们借助Multisim14.0仿真软件讲解如何应用戴维南定理求解图1所示电路中通过R3的支路电流I3，以及R3两端的电压U3。
1.教师下发学习任务书
任务名称：学习戴维南定理
操作步骤：
（1）在Multisim软件窗口建立如图1所示的电路，并标清楚待求解支路的电流参考方向。
（2）建立如图2所示测量电路，在电阻R3支路引入直流电流表和直流电压表，注意仪表的极性要与参考方向一致。
（3）启动Multisim软件的仿真按钮，仿真结果如图3所示。在表1中记录电阻R3支路电流I3及R3两端的电压U3。关闭仿真功能。
（4）新建电路，如图4所示，并按图示接好直流电压表，启动仿真功能，测得UAB=7V。
（5）新建电路，如图5所示，并按图示接好万用表，选择欧姆档测量电阻。启动仿真功能，测得A、B两点间的等效电阻RAB=4.8Ω。 （6）新建电路，如图6所示，将UAB和RAB串接在R3两端，将直流电压表和直流电流表按照图示接入电路。再次启动仿真功能，并将仿真结果记录于表1中。
2.学生按照任务书操作并讨论
首先，学生熟读任务书，按照指令要求完成步骤（1）（2）（3）后，教师提问：该操作的目的是什么？学生动手操作后知道，该步骤是用实验的方法直接测量待求支路电流和电压，没有用任何电路分析方法。
然后，按指令操作步驟（4）时，请同学说出图4与图2的区别。学生很快指出，待求支路电阻R3被移除。教师提示学生，这是将待求支路开路，移除待求支路，电路剩余部分可视为一个有源二端网络，测量此时二端网络的开路电压UAB。此时还要注意引导学生对几个名词进行理解和区分：二端网络、无源二端网络、有源二端网络。
其次，按指令操作步骤（5），继续引导学生观察图5与图4的区别，学生发现此时有源二端网络内，只有电阻，没有电源。教师适时引导学生观察发现，电压源原位置被一根短路线代替。这是将电压源置零，测该二端网络的等效电阻RAB。若是电流源置零，则是以开路代替。
最后，操作步骤（6）时，引导学生观察图6与图3的区别，学生发现原电路除待求支路之外的有源二端网络部分全部被一个电压源UAB和内阻RAB代替。两次仿真，在表中记录测量结果。
3.仿真结果讨论
对于记录下的仿真结果，学生很清楚的可以发现，图6和图3两种情况下测得的R3支路电路I3和R3两端电压U3完全相同，I3=1A，U3=2.2V。图6可视为图3的等效电路图，从而引导学生得出结论：任何一个有源线性二端网络，都可以用一个电压源与电阻串联的电路等效代替，这就是戴维南定理。
4.分析计算
《电路分析》课程教学重点还是在要求学生掌握电路的分析计算上，实验或仿真只是在辅助学生理解电路分析的方法，将复杂的理论直观化。因此，在学生了解了戴维南定理之后，还要引导学生如何去分析计算，图1的计算步骤如下：
（1）将待求支路电阻移开，在A、B两点间视为一个有源二端网络，计算有源二端网络的开路电压UAB，可用基尔霍夫电压定律求解。
（2）将有源二端网络内部所有电源置零，作等效电路图，计算二端网络内的等效电阻RAB。
（3）作出有源二端网络的等效电路图，等效电路中电源电动势E=UAB，电源内阻r=RAB。然后在等效电路两端接入待求支路电阻，用欧姆定律计算待求支路电流量和电压量。可以发现，分析计算的结果与之前电路仿真结果一致。
分析计算过程结束后，请学生自行总结运用戴维南定理求解电路时的步骤，最后，教师点评修正。
四、结论
从戴维南定理的教学设计案例可见，Multisim14.0仿真软件的应用对《电路分析》课程教学起了事半功倍的作用。一方面，软件可以直观的方式将晦涩难懂的定理、定律用仿真图形、数据呈现结果，增强了学生对实操的体验感，让原本枯燥的课堂变得生动有趣。另一方面，软件仿真的教学设计可打破固有课堂时间和空间的限制，仅需一台电脑学生课后依然可以进行电路的仿真与测试，进一步增强学生对知识的探索欲。
把Multisim14.0仿真软件融入到《电路分析》课程的教学中，不仅在有限的学时内提高了学生的学习效率，而且提升了教师的专业技能，在教师主导、学生主体的教学模式下，逐步提高教学质量，培养具备扎实理论知识和娴熟专业技能的物联网应用人才。
参考文献
[1]黄培根，任清褒.Multisim10计算机虚拟仿真实验室[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2]王帅，张莹，孙艳.虚实结合的电路原理实验教学模式探索[J].实验科学与技术，2015，13（05）：135-137.
[3]杨君玲.电工电子技术实践教程[M].人民邮电出版社，2011（09）.
[4]孙爱东，李翔.电工技术及应用[M].中国电力出版社，2014（09）.
◆关键词：Multisim14.0;仿真;电路分析;戴维南定理
物联网应用技术是综合了电子科学与技术、计算机科学与技术、通信工程、控制以及软件工程等多个学科的信息类专业学科。从2011年全国首批31所高校获准开设物联网工程专业至今，设立物联网应用技术专业的高职院校日益增多，为面向物联网应用软件开发、物联网系统测试与实施、单片机软件开发等岗位群培养了大量高素质技术技能型人才。《电路分析》是物联网应用技术专业人才培养方案中的一门专业基础课程，后续与《电子技术》《嵌入式系统》等课程相结合融入整个物联网应用知识体系内，是学生掌握物联网系统软硬件实施和测试必备的理论与应用知识。但《电路分析》课程知识点多，理论性强，涉及大量繁杂的数学推导，电路分析方法灵活多样又彼此关联。这就要求学生不仅具有识读电路图并熟练运用常见电子仪器仪表的能力，还需要有一定的分析计算电路的能力。该课程的学习效果对学生物联网硬件系统核心课程的学习至关重要。
一、高职物联网应用专业《电路分析》课程教学现状与问题
《电路分析》这门课程主要特点如下：①涵盖知识点多，不仅包含了电路的基本概念与定理、直流电路的分析与应用，还包括了一阶线性电路、变压器的结构与特性、三相交流电路以及正弦交流稳态电路的分析与应用等。②与高中物理知识联系紧密。③概念较多，涉及的理论知识较为抽象。④计算量大，而物联网应用专业的学生适应了其它专业课程界面化操作的模式，对计算的普遍不敢兴趣。
目前，大部分高职院校《电路分析》课程设置在大一上学期，教学主要存在的问题如下：①传统教学模式占主导。在传统的教学过程中，主要强调怎样去理解原理、推导公式、分析计算，这种强调知识而忽略体验的教学过程，普遍导致学生学习兴趣不高、教学效果欠佳。②课时不充足。目前该门课程的教学主要以理论课程为主，总课时仅24个课时，课时有限而所需掌握的理论知识点多，教学难度大。③学生基础差异化明显。高职物联网应用技术专业招生基本都为文理兼招的模式，使得大量的文科生也进入到该专业学习，这部分学生的高中物理知识尤其是电路与磁路的知识相对薄弱。相比理科生，文科生学习《电路分析》课程难度相对较大。④实验条件不满足。高职院校往往实验设施有限，要做到人人动手搭建电路，需配备合格的实验管理人员，且依然存在触电、漏电的安全风险。
二、Multisim14.0仿真软件简介
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的基于Windows平台的一款仿真工具，可以方便的对各种电子电路进行设计、仿真和测试，电路分析功能强大。与其他同类型的仿真软件相比具有以下优点：①图形界面直观，操作方便。②具有丰富的元器件库、信号源库、仪器仪表库，并且能够提供多种强大的电路分析方法，不需要人工计算。③仿真过程没有实际元器件和仪器仪表的损耗，成本低、效率高，而且仿真测试通过的电路，可以直接用于实际电路的搭建。④提供PCB设计软件的文件接口，与Ultiboard14.0软件无缝对接，方便转移进行PCB印制电路板设计。⑤与多种办公软件系统相兼容。
鉴于此，借助于物联网专业成熟的计算机网络实验室，将Multisim14.0仿真软件应用到《电路分析》的课程教学中，打破固有的授课方式，将“教师教，学生学”的单一的授课模式转变为“学生探索，教师辅导”的新体验，且不受时间、空间限制，极大的拓展了学生的学习思路，用实践反证理论，提高教学效果和学习效率。
三、《电路分析》课程教学设计案例
《电路分析》课程在直流电路的分析与应用部分介绍了多种电路的分析方法，包括支路电流法、网孔分析法、节点电压法、叠加定理、戴维南定理、诺顿定理等。其中，戴维南定理是电路的等效变换中最重要的一种，可将任何复杂电路转换为等效的双端电路，在电路分析中占有重要地位。其内容为：任何一个有源线性二端网络，对其外部电路来说，都可以用一个电壓源与电阻串联的电路等效代替。其中，电压源的电压等于有源线性二端网络的开路电压;电阻等于有源线性二端网络内部所有独立电源作用为零时（电压源以短路线代替，电流源以开路代替）的等效电阻（也称输入电阻）。这里涉及的概念较多，很多同学感觉晦涩难懂，或者只会生搬硬套去做题，不能从根本上分析理解电路。
以戴维南定理的学习为例，我们借助Multisim14.0仿真软件讲解如何应用戴维南定理求解图1所示电路中通过R3的支路电流I3，以及R3两端的电压U3。
1.教师下发学习任务书
任务名称：学习戴维南定理
操作步骤：
（1）在Multisim软件窗口建立如图1所示的电路，并标清楚待求解支路的电流参考方向。
（2）建立如图2所示测量电路，在电阻R3支路引入直流电流表和直流电压表，注意仪表的极性要与参考方向一致。
（3）启动Multisim软件的仿真按钮，仿真结果如图3所示。在表1中记录电阻R3支路电流I3及R3两端的电压U3。关闭仿真功能。
（4）新建电路，如图4所示，并按图示接好直流电压表，启动仿真功能，测得UAB=7V。
（5）新建电路，如图5所示，并按图示接好万用表，选择欧姆档测量电阻。启动仿真功能，测得A、B两点间的等效电阻RAB=4.8Ω。 （6）新建电路，如图6所示，将UAB和RAB串接在R3两端，将直流电压表和直流电流表按照图示接入电路。再次启动仿真功能，并将仿真结果记录于表1中。
2.学生按照任务书操作并讨论
首先，学生熟读任务书，按照指令要求完成步骤（1）（2）（3）后，教师提问：该操作的目的是什么？学生动手操作后知道，该步骤是用实验的方法直接测量待求支路电流和电压，没有用任何电路分析方法。
然后，按指令操作步驟（4）时，请同学说出图4与图2的区别。学生很快指出，待求支路电阻R3被移除。教师提示学生，这是将待求支路开路，移除待求支路，电路剩余部分可视为一个有源二端网络，测量此时二端网络的开路电压UAB。此时还要注意引导学生对几个名词进行理解和区分：二端网络、无源二端网络、有源二端网络。
其次，按指令操作步骤（5），继续引导学生观察图5与图4的区别，学生发现此时有源二端网络内，只有电阻，没有电源。教师适时引导学生观察发现，电压源原位置被一根短路线代替。这是将电压源置零，测该二端网络的等效电阻RAB。若是电流源置零，则是以开路代替。
最后，操作步骤（6）时，引导学生观察图6与图3的区别，学生发现原电路除待求支路之外的有源二端网络部分全部被一个电压源UAB和内阻RAB代替。两次仿真，在表中记录测量结果。
3.仿真结果讨论
对于记录下的仿真结果，学生很清楚的可以发现，图6和图3两种情况下测得的R3支路电路I3和R3两端电压U3完全相同，I3=1A，U3=2.2V。图6可视为图3的等效电路图，从而引导学生得出结论：任何一个有源线性二端网络，都可以用一个电压源与电阻串联的电路等效代替，这就是戴维南定理。
4.分析计算
《电路分析》课程教学重点还是在要求学生掌握电路的分析计算上，实验或仿真只是在辅助学生理解电路分析的方法，将复杂的理论直观化。因此，在学生了解了戴维南定理之后，还要引导学生如何去分析计算，图1的计算步骤如下：
（1）将待求支路电阻移开，在A、B两点间视为一个有源二端网络，计算有源二端网络的开路电压UAB，可用基尔霍夫电压定律求解。
（2）将有源二端网络内部所有电源置零，作等效电路图，计算二端网络内的等效电阻RAB。
（3）作出有源二端网络的等效电路图，等效电路中电源电动势E=UAB，电源内阻r=RAB。然后在等效电路两端接入待求支路电阻，用欧姆定律计算待求支路电流量和电压量。可以发现，分析计算的结果与之前电路仿真结果一致。
分析计算过程结束后，请学生自行总结运用戴维南定理求解电路时的步骤，最后，教师点评修正。
四、结论
从戴维南定理的教学设计案例可见，Multisim14.0仿真软件的应用对《电路分析》课程教学起了事半功倍的作用。一方面，软件可以直观的方式将晦涩难懂的定理、定律用仿真图形、数据呈现结果，增强了学生对实操的体验感，让原本枯燥的课堂变得生动有趣。另一方面，软件仿真的教学设计可打破固有课堂时间和空间的限制，仅需一台电脑学生课后依然可以进行电路的仿真与测试，进一步增强学生对知识的探索欲。
把Multisim14.0仿真软件融入到《电路分析》课程的教学中，不仅在有限的学时内提高了学生的学习效率，而且提升了教师的专业技能，在教师主导、学生主体的教学模式下，逐步提高教学质量，培养具备扎实理论知识和娴熟专业技能的物联网应用人才。
参考文献
[1]黄培根，任清褒.Multisim10计算机虚拟仿真实验室[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2]王帅，张莹，孙艳.虚实结合的电路原理实验教学模式探索[J].实验科学与技术，2015，13（05）：135-137.
[3]杨君玲.电工电子技术实践教程[M].人民邮电出版社，2011（09）.
[4]孙爱东，李翔.电工技术及应用[M].中国电力出版社，2014（09）.