基于Mutisim的应用型本科《电路》课程教学与实践

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【摘 要 】分析电路教学改革现状的基础上,强化新形势下以学生为主体的自主学习教学模式,将仿真软件融入电路理论及试验教学中.通过基于NI Mutisim仿真平台对串联谐振电路进行模拟仿真,证实了仿真试验对学生电子电路设计能力和故障诊断能力提高的必要性和可行性,赋予了应用型本科电路教学以新的方式方法,具有一定的探索意义和创新价值.

【关 键 词 】电路；Mutisim；电子设计

应用型本科教育是随着高等教育由“精英教育”向“大众化教育”转变应运而生的,民办院校作为国家建设应用型人才的培训基地,在教育事业中起着举足轻重的作用.“电路分析基础”课程是我校电子信息、自动化类各专业最为重要的专业基础课程之一,通过该课程的学习使学生掌握电路分析的基本概念、基本理论和基本分析方法,并具备必要的分析问题的能力,为学习“信号与系统”、“模拟电路”、“通信系统原理”、“自动控制原理”等后续课程打下必不可少的基础.随着形势的发展,本课程的教学内容不断丰富,对教学的要求也不断提高.为培养学生的自学分析能力、理论实践能力、创新能力,提出将仿真教学融入电路理论与试验教学中,通过基于NI Mutisim仿真平台对串联谐振电路进行模拟仿真,验证仿真试验对学生电子电路设计能力和故障诊断能力提高的必要性和可行性,赋予了应用型本科电路教学以新的方式方法,具有一定的探索意义和创新价值.

1.教学改革的设计思想

课程改革重点主要包括建立科学的课程体系、符合电子信息、自动化类专业特点的完整理论及实践教学体系.重视教学内容和方法的研究,针对教学中的问题,积极发表教学研究文章,以期与同行进行探讨,不断探索教育、教学规律,改进教学方法,提高教学质量；采用多媒体电子教案授课和传统方式授课相结合,电化教学和网络相结合,课堂教学与网络教学相结合,理论教学与上机实践相结合的现代化教学模式.

1.1 理论教学改革的设计思想

理论教学内容为电路分析的基本概念、基本理论和基本分析方法.包括：电路的等效变换法；线性网络的一般分析方法和网络定理；一阶动态电路分析；正弦稳态分析；耦合电感和变压器电路分析；电路的频率特性；二端口网络；非线性电路分析及磁路和铁芯线圈.课程的难点主要体现在以下几点：

（1）涉及的定理、分析方法纷繁复杂,高等数学基础要求严格,如求解代数方程、微分方程以及复数运算（相量分析）等.

（2）研究领域广,不但要求对纯电阻电路、正弦稳态电路进行分析,而且要求对含变压器的电路、电路频率特性等内容进行分析等.

（3）分析方法较抽象,主要是对实际电路转化的电路模型为分析对象,如受控源等四端元件不好理解.因而,对含受控源的电路分析、含变压器的电路分析成了学习的难点.

针对以上重难点内容,理论教学改革的思想体现在以学生为主体的自主学习教学模式：

（1）利用现代化教学手段

引进现代化的教学手段和教学方法.制作完成“电路分析基础”课程的多媒体课件,从2008年开始用于全校本科生教学,并在实践中得到不断完善.为了充分利用网络资源,开发多渠道的学习途径,将多媒体录像课件、电子教案、授课计划和作业批改等相关教学内容及时在网上发布.

（2）探索新的教学方法

以学生为主体,采用启发式教学、与学生互动式课堂讨论和网上教育等方法,加强教与学的信息交流,启发学生联系所学知识点,培养主动思考和自主学习的习惯.

（3）多种方法确保课程教学质量的提高

“电路分析基础”的各系列课程均具有符合专业人才培养要求的课程教学大纲,同一课程的所有班级实行“三统一”（大纲统一、教材统一、试卷统一）.通过制订详细的教学计划,规范教学过程以确保教学大纲的全面实施.实行考-教分离的方法,使用AB卷.考试后及时研究试卷中出现的各种问题,用于指导今后的课堂教学.在引进“电路分析基础/信号与系统题库”（西安电子科技大学）的基础上,建立试题库,作为题库的补充,使之更加完善.利用网络等现代化工具,对教师教学效果进行测评,设立网络信箱收集学生对课程教学的意见与建议.

1.2 实践教学改革的设计思想

随着各种EDA软件的引入,EDA教育收到了空前的重视,EWB软件在优化教学过程,改善实验条件、改革实验教学模式、课件制作以及远程教育方面发挥了重要的作用,为充分发挥电路仿真平台软件的教学功能提供了广阔的应用环境.为此,提出操作性试验与软件仿真试验相结合的设计思想,实践教学活动按照从基础性操作试验、综合性仿真试验到设计性仿真试验、创新性实训,设置实践教学模块,既重视基础实验,更强调综合设计性实验,体现“以学生为本,促进学生知识、能力、素质协调发展”的教育理念.多层次实践教学模式如图1所示.

图1 多层次实践教学模式

图1中,基础性操作试验在我校实验中心“高性能电工电子试验装置”上完成,主要培养学生必需的电工电子硬件实验的基础知识及灵活运用电工电子的基本能力；综合性仿真试验及设计性仿真试验由学生在仿真软件上操作,注重培养学生浓厚的学习兴趣、旺盛的求知欲、积极的探索精神、坚持真理的态度；电路实训环节主要考察学生对电路的综合掌握情况及设计能力的培养.

每个试验项目的必做项目由老师指导在试验课堂完成,选做实验项目在开放试验时间由学生自行完成,利用电路实验室的全面开放,学生也可以完成实验项目的预习、课内已完成的实验项目的重做或者未完成实验项目的补做,真正做到因材施教,使拔尖创新人才得以充分发挥其潜力和才能,为高素质人才的脱颖而出创造了良好的成长条件.

2.教学改革的实施特点

电路教学改革的重点体现在强化了学生自主学习的教学模式,以Mutisim软件作为仿真平台,通过优化、更新实验课程内容,加强综合性、设计性、创新性实验项目,强化学生工程训练和设计能力培养. 2.1 多媒体技术的特点

多媒体教学作为现代教学方式,具有许多优势.第一,课件形式多样化.课件中可加入声音、动画、彩图等传媒手段,使授课内容的展现形式丰富多样化,有利于吸引学生的注意力.第二,授课内容清晰.在电路教学中有许多复杂的电路图和元件实物图,黑板上难以呈现,费时费力,且不清晰,通过多媒体可以轻松实现.第三,多媒体教学信息量大.减少了传统教学中教师的抄写时间,便于在有限课时内完成教学内容,提高教学效率.

2.2 Mutisim的特点及仿真方法

（1）直观的图形界面

整个界面就像是一个电子实验工作台,绘制电路所需的元器件和仿真的仪器仪表均可直接放到工作区,轻点鼠标即可完成导线的连接,软件仪器的控制面板和操作方式与实物相似,测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样.

（2）丰富的元器件库

NI Mutisim10大大扩充了EWB的元件库,包括基本元件、半导体元件、TTL以及CMOS数字IC、DAC、ADC、MCU和其他各种部件,切用户可通过元件编辑器自行创建和修改所需元件模型,还可通过公司网站和代理商获得元件模型的扩充和更新服务.

（3）丰富的测试仪器仪表

除了EWB具备的数字万用表、函数发生器、示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪外,还新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪,且所有仪器均可多台同时调用.

（4）完备的分析手段

支持直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、批处理分析、灵敏度分析等,能基本满足电子电路设计和分析的要求.

（5）强大的仿真功能

NI Mutisim10既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真,也可进行数模混合仿真,仿真失败时会显示错误信息,提示可能出错的原因,仿真结果可随时存储和打印.

（6）完美的兼容功能

NI Mutisim10可方便地将模拟结果以原有文档格式导入LABVIEW或者Signal Express中.工程人员可更有效的分享及比较仿真数据和模拟数据,而无须转换文件格式,在分享数据时减少了失误,提高了效率.

3.基于NI Mutisim10的仿真方法,步骤及应用实例

3.1 仿真方法

基于电路分析基础的仿真方法主要有两种：一种是测量法,就是用软件元件库中的仪表直接去测量电路两端的信号,比如点位、电压、电流信号等.第二种是分析法,就是用软件中提供的电路分析法直接去分析电路,比如直流分析,交流分析等.

3.2 仿真步骤

（1）建立电路文件.启动Mutisim10,系统自动创建一个默认标题为“Circuit1”的新电路文件,该文件可以另存.

（2）软件界面的、MUtisim10允许用户根据自己的习惯设置软件的界面,包括工具栏、电路颜色、页面尺寸、聚焦倍数的设置等,可以通过点击“Options→Global Preferences”选项,在弹出的对话框中进行设置.

（3）放置元器件,可以在标准工具栏中选择,也可点击菜单栏中点击“Place→Compo-nent”,在弹出的对话框中选择需要的元器件.

（4）放置导线和节点进行电路的连接.

（5）放置仪器仪表进行测量,或者点击Simulate进行仿真分析.

3.3 仿真实例

以RLC串联谐振电路为例,创建电路图如图2所示.

图2 RLC串联谐振电路

（1）点击Simulate下拉菜单的Run或者直接点击仿真开关,可以在模拟示波器XSC1观察到电源和电阻两端的电压波形如图3所示.

图3电压波形

（2）点击“Simulate/Analyses/AC Anal-yses”（交流分析）即可得到幅频特性曲线和相频特性曲线,移动游标至纵坐标最大值下降3dB位置,即可得到上下限截止频率fL和fH分别为1.53KHz,1.68KHz,由此可知通频带宽度为f等于fH-fL≈150KHz,RLC串联谐振电路的幅频特性曲线、相频特性曲线和通频带如图4所示.

图4 RLC串联谐振电路的幅频特性曲线、

相频特性曲线和通频带

通过对RLC串联谐振电路的运行仿真,交流分析,不难得出,利用Mutisim仿真平台,能够很方便的组成电路,更换元件,调节电路元件参数,观察波形,验证电路的对错,这在实际试验操作中是难以完成的,从而提高学生的动手能力及独立思考的能力.

实验教学中选用NI Mutisim软件作为电路仿真平台,对应用型本科学生电子电路设计能力和故障诊断能力的提高是可行性,仿真技术赋予了电路教学以新的方式方法,激发了学生的探索兴趣,提高了实验效率,降低了实验风险,开拓了新思路.总之,正是由于仿真软件的应用,既保证了每个学生达到共同电子技术基础的前提下,又可以针对不同学科分门别类,分层次的设计出多样的、可供不同发展潜能学生选择的电路实验.

4.结论

在应用型本科的教学过程中,我们努力探索正确的传授知识、培养能力和全面素质教育关系的实践做法.以电类工科为例,为加快电路课程教学改革的步伐,从课程的相关知识、仿真软件的使用及多媒体的应用等方面提出了电路课程的优化方案,重点着眼于提高学生的实际动手能力和分析解决问题的能力.通过Mutisim仿真软件以实例说明了仿真效果,使抽象的内容具体化、形象化、趣味化,同时加大了综合性、设计性实验的力度,增强了培养学生的开拓创新意识.但提供虚拟环境的仿真软件不可完全代替操作性试验,只有将两者有机结合起来,才能实现电路课程的整合构建,共同推进电路的教学改革,为后续课程及从事本专业有关的工程技术等工作打下坚定的基础.