Multisim 在電工電子技術課程教學中的應用

沈艷河，李自鵬

（黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475004）

0 引言

電工電子技術課程是高職高專非電類工科專業(yè)的一門重要的技術基礎課，它包含電路基礎、電機與變壓器、電氣控制、模擬電子技術、數(shù)字電子技術等多門學科基本知識，是后續(xù)專業(yè)課程學習和今后工作的基礎，也是學生實踐動手能力培養(yǎng)與提高的重要部分。 但是，該課程概念抽象、數(shù)學公式多、實驗性和工程性強，這使我們在使用傳統(tǒng)教學手段教學的過程中遇到困難。

隨著計算機仿真軟件的不斷發(fā)展，如何有效地利用各種軟件提高電工電子技術課程的教學效果值得研究[1]。 而Multisim 軟件的出現(xiàn)與多媒體教學手段的廣泛使用，為電工電子技術課程教學理念的更新和教學手段的改革提供了條件。 本文試結合黃河水利職業(yè)技術學院國家示范性高等職業(yè)院校建設中相關專業(yè)課程的教學改革實踐，對Multisim 在電工電子技術教學中的應用進行探討。

1 引入Multisim 的必要性與可行性

1.1 必要性

2006 年12 月，學院被教育部、財政部正式確定為國家示范性高等職業(yè)院校建設計劃2006 年度立項建設單位。 隨著示范性建設的深入展開，學院確立了以就業(yè)為導向、產學研結合的教學理念，教學計劃也隨之發(fā)生了相應的變化。 大學物理課程不再作為機電工程系工程機械、汽車故障診斷和維修、數(shù)控技術、機電一體化技術、模具設計、機械制造與設計6 個專業(yè)的教學內容，同時高等數(shù)學的學時也大幅壓縮。 由于大學物理課程內容中電學方面知識的缺失和數(shù)學分析手段的弱化，給電工電子技術教學帶來了更大的難度。

目前在電工電子技術實驗教學方面，我院仍主要采用實物元器件進行硬件連線的測試方式。 這種傳統(tǒng)實驗方式由于受實驗條件的限制，在給學生開設擴展型、設計型和綜合型的實驗課時經常遇到困難，特別是新器件、新設備價格昂貴，購置更為不易。 并且，隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，電子產品與計算機聯(lián)系日益緊密， 電子電路也日臻完善，而實驗儀器的更新周期卻越來越短，由于資金等方面的原因， 學校實驗室不可能總是購買最新的實驗設備。 這在一定程度上造成了實驗條件、設備與工程實際的脫節(jié)。 同時，原有的實驗設備老化也造成了實驗的不便和不理想[2]。 另外，高校擴招后，隨著我校學生數(shù)量的增多，在實驗教學的安排上也出現(xiàn)了一定程度的緊張，在規(guī)定的時間，學生無法真正完成實驗， 造成電工電子技術實驗課質量下滑的現(xiàn)象。 如何在我?，F(xiàn)有的條件下，提高理論教學和實驗教學效果， 是任課教師一直在探索和思考的問題。

Multisim 的出現(xiàn)，在一定時期內、一定程度上為我們解決這個問題提供了條件。 Multisim 仿真技術與多媒體教學相結合，可以將虛擬實驗室搬到理論課堂的教學中。 教師可以深入淺出地分析各種電路及元器件的特性，講解各種參數(shù)改變造成的影響，貼近實際地進行實驗設備的調試分析。

1.2 可行性

1.2.1 Multisim 10 的特點

Multisim 是加拿大圖像交互技術公司（Interactive Image Technoligics 簡稱IIT 公司)推出的以Wind ows 為基礎的仿真工具，被美國NI 公司收購后，更名為NI Multisim。 而V10.0 即NI Multisim 10，是National Instruments 推出的Multisim 最新版本。 它具有以下特點[3]:

（1）用軟件的方法虛擬電子、電工元器件。（2）元器件庫提供了數(shù)千種電路元器件供實驗選用，同時也可以新建或擴充已有的元器件庫。 （3）虛擬測試儀器儀表種類齊全。（4）具有較為詳細的電路分析功能。（5）可以設計、測試和演示各種電子電路，包括電工學電路、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及微控制器和接口電路等。（6）可以實現(xiàn)計算機仿真設計和虛擬實驗。

1.2.2 Multisim 10 在教學中的應用

1）理論教學。綜合Multisim 10 仿真技術和多媒體教學，將虛擬實驗室搬到理論教學課堂的教學中，借助Multisim 10，對一些抽象的概念和繁雜的數(shù)學推理進行仿真，用波形、圖形等形式生動形象地進行表現(xiàn)，可以使理論教學的內容言之有物，不再枯燥無味，從而調動學生的學習興趣，提高教學效果。

2）實驗教學。 （1）使用Multisim 10 的虛擬電子實驗技術，在創(chuàng)建實驗電路時，元器件和測試儀器均可直接從元件庫中選取，而且軟件中的測試儀器的圖形與實物外形基本相似。 在仿真試驗的過程中，可使學生熟悉常用電子儀器的測量方法。（2）利用軟件中提供的各種分析方法，可以幫助學生更快更好地掌握教學內容，加深對概念、原理的理解。（3）利用Multisim 10 仿真軟件進行電工電子技術教學，不僅可以彌補實驗儀器、元器件短缺以及規(guī)格不符合要求等缺點，還能培養(yǎng)學生的綜合分析能力和創(chuàng)新能力。 總之，仿真實驗是計算機技術飛速發(fā)展的必然產物，是一種現(xiàn)代化的教學手段，它能彌補傳統(tǒng)實驗教學的不足。 與傳統(tǒng)實驗教學方法相比，這種虛擬儀器技術既省時又經濟，而且還可以避免試驗中發(fā)生各種損壞和事故。

當然，也不能將實驗教學完全建立在仿真實驗的基礎上，因為仿真實驗畢竟有自己的缺陷。 比如完全采用仿真實驗來進行實驗教學，會淡化學生對真實儀器的感受，減弱學生的基本操作技能[4]。

基于此，我們采用仿真實驗與傳統(tǒng)實驗相結合的方法，根據現(xiàn)有實驗條件去完成基本的實驗，相對復雜的實驗采用仿真實驗進行預習，使學生熟悉實驗儀器、實驗原理、實驗內容和實驗操作，等到有一定的感性認識后再進行實際操作，以避免初次實驗時的盲目性和對元器件的損壞。 另外，采用仿真實驗去完成創(chuàng)新性、綜合性實驗和設計，或指導學生根據興趣采用仿真方法進行一些實驗。 仿真實驗與傳統(tǒng)實驗相結合的方法不僅加深了學生對實驗的理解，同時提高了他們實踐動手能力、創(chuàng)新能力和計算機應用能力。

2 Multisim 應用實踐

2.1 組裝調幅收音機實習應用實例

組裝調幅收音機是我院電工電子技術課程一個重要實習項目，通過這項實習，培養(yǎng)學生的動手能力，使學生能夠識別常見的電子元器件，能夠操作相應的電工工具，使用相關的儀器，了解電子設備制作、裝調的全過程，掌握查找及排除電子電路故障的常用方法。 但是，在實習過程中，學生普遍反映收音機的原理太抽象、理解不了，組裝的過程中也經常發(fā)生元器件張冠李戴的錯誤，對元器件造成很大的損壞和浪費。

在電工電子技術課程中引入Multisim 10 仿真軟件之后，我們在理論教學與實踐教學之間架起了銜接的橋梁，解決了理論教學與實踐脫節(jié)問題。 在進行收音機組裝項目之前，我們先安排了4 個課時的仿真實驗， 通過Multisim 10 虛擬實驗室功能，對收音機的原理及各元器件的功能進行講解和演示，使學生對收音機的原理及各元器件都有了初步的認識。 之后，再進行實習，錯誤就很少發(fā)生，元器件基本上沒有張冠李戴現(xiàn)象。

2.2 AM 調制實習應用實例

下面以AM 調制為例，來介紹Multisim 10 在電工電子課程實驗中的使用[5]。

2.2.1 分析實驗原理調幅是載波信號的振幅隨著調制信號的某種特征的變換而變化。聲音信號由1KHZ 交流信號源V1（圖中用藍色正弦信號顯示）提供，高頻載波信號由20KHZ 交流信號源V2 提供，模擬乘法器A1 使聲音信號與載波信號做乘法運算，V3=V1*V2。 虛擬示波器XSC1 的A、B 通道分別輸入的是聲音信號和載波信號，虛擬示波器XSC2 用來觀察AM 信號。

2.2.2 創(chuàng)建試驗電路

電路原理分析之后，我們就可以創(chuàng)建AM 調制試驗電路圖了。 其步驟如下：（1）創(chuàng)建新表單。 點擊“文件”，選擇“新建”，選中“原理圖”，就成功創(chuàng)建了一個新的空白電路圖表單。（2）創(chuàng)建電路圖。在元件工具欄中點擊在元件庫列表中，選擇兩個交流電源及兩個接地端，兩個交流信號源分別作為聲音信號源和載波信號源。 按照要求，選中參數(shù)和屬性設置，然后點擊、選中元件。 點擊，在元件庫列表中選擇電阻，根據要求進行屬性和參數(shù)設置后，在表單上單擊，顯示選中的元件。（3）在測試儀器工具欄中，點擊，選擇兩個虛擬示波器，放入電路圖表單中。（4）連線。 把元器件添加完之后，就可以連線了，把鼠標放到元器件的接線端子上，按住鼠標左鍵不放，移動到另一元器件的接線端子上，松開鼠標，就完成了這兩個端子之間的連接。 按照上面的操作，可以完成全部線路的連接。

2.2.3 實驗仿真

圖1 AM 調制電路圖Fig.1 AM modulation circuit diagram

圖2 聲音信號和載波信號波形Fig.2 Voice signal and carrier signal wave shape

圖3 AM 調制后的波形Fig.3 AM wave shape after modulation

2.2.4 實驗結果

從仿真曲線結果可以看出：AM 調制是用調制信號（例如聲音）去控制載波信號的振幅，使振幅隨著調制信號瞬時值產生線性變化， 而載波的頻率和初相位則保持不變。

在這一以仿真實驗的過程中，我們可以像進行真實實驗一樣，對元器件“如實”操作。 在此過程中，學生不僅掌握了AM 調制原理，同時也熟悉了元器件特性和使用方法，并且避免了由于盲目操作對元器件的損壞。

3 結語

教學實踐證明，對于電工電子技術課程教學來說，Multisim 仿真軟件是一種很好的輔助手段。Multisim 仿真實驗非常方便，形象直觀，為學生自主性、創(chuàng)造性進行實驗提供了廣闊空間。它彌補了傳統(tǒng)教學模式的不足，能夠更好地幫助學生理解、掌握基本知識，培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，應當進一步推廣應用。

[1] 劉亞娟，黃顯德. Multisim 在《信號與系統(tǒng)》教學中的應用[J]. 中外教育研究，2009(1):55-56.

[2] 吳君曉，宋守云，平林端. 基于Multisim 的模擬電子技術實驗的教學改革[J]. 河南機電高專學報，2007(1):20-22.

[3] 甘祥根，陳麗紅. Multisim 及其在電子技術課程中的應用[J]. 科技與經濟，2006 (23):109-111.

[4] 呂君. 基于EDA 仿真技術在電子實驗教學的應用研究[J].電腦知識與技術，2006(8):197-198.

[5] 楊欣，王玉鳳，劉湘黔，等. 電子設計從零開始[M]. 北京：清華大學出版社，2005：38-39.