理論仿真實(shí)驗(yàn)相融合的電工學(xué)教學(xué)方式研究

徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院 宗德媛 朱 炯 李 兵

電工學(xué)是學(xué)生理解、掌握及應(yīng)用電學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和綜合實(shí)踐能力的專業(yè)基礎(chǔ)課。在電工學(xué)教學(xué)中，將EWB虛擬仿真技術(shù)、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)及理論教學(xué)相結(jié)合，通過仿真計(jì)算、實(shí)驗(yàn)演示，讓學(xué)生理解掌握電路的組成、工作原理和性能特點(diǎn)。EWB仿真軟件開展案例教學(xué)，可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握電子技術(shù)理論，同時(shí)為提高學(xué)生實(shí)際操作能力打好基礎(chǔ)。

電工學(xué)實(shí)驗(yàn)是對(duì)理論知識(shí)的補(bǔ)充與延續(xù)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、動(dòng)手及創(chuàng)新能力。理論課具有概念多、計(jì)算復(fù)雜、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)，以致學(xué)生無法理解。實(shí)驗(yàn)課危險(xiǎn)性較大，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)造成儀器損害、元器件燒壞甚至觸電等情況。EWB軟件中元器件庫(kù)和儀器儀表豐富，操作界面模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，而且在軟件上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不會(huì)出現(xiàn)任何危險(xiǎn)。因此，在電工學(xué)教學(xué)中可以將理論、仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電工學(xué)的興趣。

用EWB仿真軟件模擬實(shí)際電路可以概述為以下幾個(gè)步驟，對(duì)任意一個(gè)電路的仿真設(shè)計(jì)依照步驟進(jìn)行，EWB仿真軟件模擬實(shí)際電路流程圖如圖1所示。

圖1 EWB仿真軟件模擬實(shí)際電路流程圖

在電工學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入EWB仿真軟件，可立即得到仿真結(jié)果和對(duì)應(yīng)的圖表曲線，且仿真、實(shí)驗(yàn)也使學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)有了更為深入的理解。以下本文將結(jié)合電工學(xué)“基爾霍夫定律和疊加定理”理論、實(shí)驗(yàn)、仿真內(nèi)容來探索EWB在該課程中的應(yīng)用。

1 理論計(jì)算

基爾霍夫定律和疊加定理的電路如圖2所示，圖中標(biāo)出了各元件的電流和電壓的參考正方向。若電流（電壓）的實(shí)際方向與規(guī)定的正方向相同電流值為正值；若電（電壓）的方向與規(guī)定的正方向相反，電流值為負(fù)值。其中，E1=10V，E2=15V，R1＝1KΩ，R2＝510Ω，R3＝300Ω，R4＝200Ω，R5＝300Ω。

圖2 基爾霍夫定律與疊加定理電路圖

根據(jù)基爾霍夫電流定律，在任一節(jié)點(diǎn)處的電流值滿足ΣI=0，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，任一閉合回路中的電壓值滿足ΣU=0。根據(jù)疊加定理，線性電路，任何一條支路的電流，都可以看成是由電路中各個(gè)電源分別作用時(shí)，在此支路中所產(chǎn)生的電流的代數(shù)和，理論計(jì)算數(shù)據(jù)滿足疊加定理。

表1 理論計(jì)算電流值

表2 理論計(jì)算電壓值

2 EWB仿真計(jì)算

根據(jù)EWB仿真軟件電子元器件庫(kù)，建立基爾霍夫定律和疊加定理的仿真模型。仿真運(yùn)行后，讓學(xué)生在測(cè)量?jī)x表上觀察仿真結(jié)果，并記錄分析測(cè)量結(jié)果是否正確。若不正確，分析原因，調(diào)整仿真電路，對(duì)照電路設(shè)計(jì)要求更改相關(guān)元件參數(shù)，返回仿真繼續(xù)進(jìn)行，直到得到正確結(jié)果。仿真模型如圖3～圖5所示。

圖3 E1和E2共同作用仿真電路圖

圖5 E2單獨(dú)作用仿真電路圖

記錄仿真分析計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 仿真計(jì)算電流值

仿真E1、E2共同作用時(shí)各電壓值，記入表4。

表4 仿真計(jì)算電壓值

圖4 E1單獨(dú)作用仿真電路圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分是電工學(xué)課程的重要環(huán)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)不僅能強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的鞏固和理解，而且也提高了綜合實(shí)踐能力。

實(shí)驗(yàn)電路如圖6～圖7所示，雙向開關(guān)K1、K2控制電源E1、E2的接入或短路。在實(shí)驗(yàn)板上有電流測(cè)試斷口，可將安培表串接進(jìn)支路測(cè)試電流。實(shí)驗(yàn)測(cè)量電流值如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量電流值

圖6 基爾霍夫定律與疊加定理實(shí)驗(yàn)電路

圖7 基爾霍夫定律與疊加定理實(shí)驗(yàn)?zāi)K

測(cè)量E1、E2共同作用時(shí)各電壓值，記入表6。

表6 實(shí)驗(yàn)測(cè)量電壓值

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了基爾霍夫電流定律和疊加定理的正確性。

4 理論、實(shí)驗(yàn)、仿真對(duì)比分析

最后讓將實(shí)驗(yàn)、仿真結(jié)果與理論計(jì)算對(duì)照、比較，計(jì)算誤差、分析原因，并撰寫總結(jié)報(bào)告。以疊加定理各電流值對(duì)比分析理論、實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算的結(jié)果表7所示。

由表7可知，理論計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，個(gè)別數(shù)據(jù)誤差為0.01mA，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)最大誤差為0.22mA。實(shí)驗(yàn)誤差在允許范圍內(nèi)，分析誤差原因：實(shí)驗(yàn)電壓表、電流表內(nèi)阻產(chǎn)生的誤差；實(shí)驗(yàn)中所使用的元器件的標(biāo)稱值和實(shí)際值的誤差；儀器本身的誤差。

表7 理論、實(shí)驗(yàn)、仿真計(jì)算電流值

在電工學(xué)教學(xué)中，充分利用EWB仿真軟件，將虛擬仿真技術(shù)與理論教學(xué)、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)有效結(jié)合，把實(shí)驗(yàn)、仿真教學(xué)貫穿在理論教學(xué)中。EWB軟件圖形界面可直觀的模仿真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，使原本枯澀難懂的知識(shí)點(diǎn)變得生動(dòng)形象起來。對(duì)于較難理解的電路理論，采用先講理論知識(shí)，再實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后仿真計(jì)算的方式來鞏固、加深所學(xué)知識(shí)，從而取得較為良好的教學(xué)效果。