淺談電工基礎(chǔ)中電路仿真軟件的應(yīng)用

何軍

摘 要：傳統(tǒng)的電工基礎(chǔ)實驗教學(xué)正面臨著安全問題、器材缺乏和實驗操作繁瑣的困境，引入電路仿真軟件可以有效解決傳統(tǒng)實驗方法的問題。本文闡述了傳統(tǒng)實驗方法的困境和電路仿真軟件的特點，并結(jié)合電路仿真軟件的應(yīng)用實例分析了電路仿真軟件的優(yōu)勢，以及仿真實驗與傳統(tǒng)實驗的區(qū)別。

關(guān)鍵詞：電工基礎(chǔ)；仿真軟件；電工實驗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.126

1 引言

電工基礎(chǔ)課程是目前面向理工科院校微電子技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)、電子信息工程技術(shù)及自動化控制技術(shù)等專業(yè)開設(shè)的課程，屬于專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，也是理工科院校對應(yīng)專業(yè)的重點教學(xué)課程。電工基礎(chǔ)課程教學(xué)中存在著很多教學(xué)難點，尤其是電路實驗動手操作方面的課程教學(xué)面臨著很多困境，這也導(dǎo)致了電工基礎(chǔ)的學(xué)生普遍反映該課程不好理解、難以掌握課程內(nèi)容。而對于電路實驗的課程教學(xué)，引入電路仿真軟件建立仿真電路，可以有效改善傳統(tǒng)實驗課教學(xué)的不足之處，為電工基礎(chǔ)中理論和實踐教學(xué)的結(jié)合提供了很好的平臺，從而改變學(xué)生對于電工基礎(chǔ)課程的畏難厭學(xué)情緒，提升電工基礎(chǔ)的教學(xué)效果。

2 傳統(tǒng)教學(xué)方法面臨的困境

電工基礎(chǔ)課程由于涉及知識面廣，對知識的理解要求較高，要求學(xué)生具有很強的邏輯思維能力和抽象思維能力，對于基礎(chǔ)本身較薄弱的高職院校學(xué)生來說，難以很好地理解和掌握。因此讓基礎(chǔ)原本比較薄弱的高職院校學(xué)生能夠理解并應(yīng)用電工基礎(chǔ)中的相關(guān)知識成為教學(xué)中需要解決的主要問題。除了基礎(chǔ)知識不扎實、邏輯思維能力和抽象思維能力不強等劣勢，高職院校學(xué)生往往對自己的學(xué)習(xí)能力缺乏自信心，這樣自然導(dǎo)致他們在學(xué)習(xí)過程中興趣不高、動力不足。

3 電路仿真軟件的特點與優(yōu)勢

3.1 電路仿真軟件的特點

（1）設(shè)計環(huán)境一體化。電路仿真軟件有效實現(xiàn)了電路設(shè)計環(huán)境的集成。操作者可以任意地在仿真環(huán)境中設(shè)置數(shù)據(jù)及模擬元件，順利進行數(shù)據(jù)模型混合仿真、原理圖輸入等工作，同時可以進行波形圖的顯示。

（2）提供真實的實驗平臺。電路仿真軟件具備集成了數(shù)千種電路元件的元件庫，包括無源元件和有源元件、數(shù)字元件和模擬元件以及分立元件和集成元件等不同類型的電路元件，同時利用該軟件還可以擴充現(xiàn)有的元件庫或新建元件庫。

（3）軟件操作界面友好。電路仿真軟件的操作界面十分友好，利于新手迅速上手。操作者只需要點擊鼠標就可以選擇元件；拖動鼠標，便可以將元件按照實驗的電路原理圖進行布置。在仿真實驗過程中，也可以方便地修改元件屬性、改變元件位置以及調(diào)整電路的連接方式。除此之外，電路仿真軟件在操作者布置完電路原理圖之后能夠自行進行圖面的調(diào)整而不改變電路連線方式，從而使原理圖更加簡潔美觀。

3.2 電路仿真軟件的優(yōu)勢

（1）確保操作者和實驗器材的安全。在電工實驗過程中，一旦操作者操作不當，很容易發(fā)生電源短路的情況，由于電路中電流過大，會導(dǎo)致電源迅速燒毀，其他電路元件也有可能損壞，甚至?xí)a(chǎn)生更嚴重的后果，操作者的人身安全和實驗器材的安全都無法得到保證因此在進行電工基礎(chǔ)課程的實驗教學(xué)時，教師必須要解決好學(xué)生和設(shè)備的安全問題。引入電路仿真軟件到電工實驗中則有效解決了這類問題，利用電路仿真軟件去進行電工實驗的操作時，操作者利用計算機進行模擬操作，不會接觸到真實的電路元件與電路儀器，在仿真軟件提供的仿真實驗環(huán)境中也能夠體會到不當操作帶來的危害和損失，從而避免了學(xué)生人身安全和實驗器材安全問題的發(fā)生。

（2）避免了繁雜的實驗準備與清理工作。電路仿真軟件能夠有效解決實驗準備與清理工作繁瑣的問題，而且學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行仿真實驗時，仿真軟件元件庫中的元件和電路儀器都不會出現(xiàn)丟失或損壞的問題，也不會因為電路元件接觸不良而影響實驗結(jié)果。在進行仿真實驗操作時，學(xué)生需要做的只是用鼠標進行實驗電路的連接，不會出現(xiàn)電路元件失效或接觸不良等意外情況，做起實驗自然事半功倍。

（3）解決了實驗器材不足的問題。由于很多高職院校對于實驗室硬件設(shè)施建設(shè)的投入不夠，導(dǎo)致實驗室內(nèi)相關(guān)電路元件的數(shù)量與型號十分有限，無法滿足電工實驗教學(xué)的需求。電路仿真軟件元件庫實現(xiàn)了成千上萬的電路元件的集成，就算有一些電路元件沒有包含在內(nèi)，我們也可以按照所需電路元件的各種參數(shù)創(chuàng)建新的電路元件對元件庫進行補充。因此利用電路仿真軟件進行仿真實驗有效彌補了實驗室中器材不足的缺點。

4 電路仿真軟件應(yīng)用實例

電路仿真軟件已經(jīng)在很多電工基礎(chǔ)實驗中得到了應(yīng)用，使用比較多的軟件包括EWB仿真軟件和Proteus仿真軟件。下面著重介紹利用EWB仿真軟件進行的基爾霍夫定律仿真實驗實例。

作為電路分析中的基本定理，基爾霍夫定律反映了在電路連接中，不同支路上的電流或不同部分電壓之間的約束關(guān)系。這種約束關(guān)系只和電路連接的方式有關(guān)，與電路元件的具體參數(shù)沒有關(guān)系?；鶢柣舴蚨墒欠治銮蠼怆娐返闹匾碚撘罁?jù)，也是各種集總參數(shù)電路需要遵守的規(guī)則?；鶢柣舴蚨砂ɑ鶢柣舴螂娏鞫桑↘CL）和基爾霍夫電壓定律（KVL），其中基爾霍夫電流定律描述了與節(jié)點相連的不同支路電流間的相互關(guān)系，它指出了任意時刻對于集總參數(shù)中的任意節(jié)點，流出或流入該節(jié)點電流的代數(shù)和均為零。

首先打開EWB電路仿真軟件，按照如圖所示的實驗電路圖，點擊拖動鼠標進行電路元件和電路儀器的布置，在電路中連接起來。打開電路元件的屬性對話框，調(diào)整元件的參數(shù)。電路連接完成后，可以閉合電路開關(guān)，仿真實驗開始。各部分電壓在電壓表上得到了具體顯示，各支路電流也在電流表上有了顯示。在電路儀器上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后，可以打開電路開關(guān)，讀取并記錄數(shù)值。實驗電路原理圖中顯示電路中共有3 條回路和2 個節(jié)點。根據(jù)測量結(jié)果，對于節(jié)點3流入流出的電流代數(shù)和等于零，節(jié)點4 也是如此。根據(jù)電壓表的測量數(shù)據(jù)，沿任意方向?qū)θ我饣芈防@行一周的電壓的代數(shù)和也是零，驗證了基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律。

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