仿真軟件在電學(xué)解題中的應(yīng)用

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為依托的基礎(chǔ)性學(xué)科。學(xué)生學(xué)習(xí)物理，在充分經(jīng)歷科學(xué)探究的過程中學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，可以鍛煉實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度和精神^[1]。筆者將以第38屆全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽預(yù)賽壓軸題為例，講解如何利用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic design automation，縮寫EDA）軟件進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)探究解題。物理競(jìng)賽題目難度大，涵蓋知識(shí)范圍廣，一些實(shí)驗(yàn)探究題目的分析解答還需要器材支撐，但一般的高中物理實(shí)驗(yàn)室難以操作綜合型、擴(kuò)展型的電路實(shí)驗(yàn)，無法滿足需求。教師指導(dǎo)學(xué)生利用EDA軟件對(duì)動(dòng)態(tài)電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)電路分析過程的可視化動(dòng)態(tài)顯示，有利于學(xué)生探究、驗(yàn)證、解題，同時(shí)可降低實(shí)驗(yàn)成本。

一、電學(xué)仿真軟件助力思維可視化的可行性

EDA是在CAD技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，被譽(yù)為“芯片之母”。電路仿真可用于模擬傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)中的電路搭建和性能測(cè)試。設(shè)計(jì)人員將目標(biāo)電路的原理圖輸入到由EDA軟件建立的仿真器中，利用軟件提供的仿真工具（包括仿真測(cè)試儀器和電子器件仿真模型的參數(shù)庫(kù)）對(duì)電路的實(shí)際工作情況進(jìn)行模擬。NI Multisim是一款優(yōu)秀的EDA軟件，它是以Windows系統(tǒng)為平臺(tái)的仿真工具，操作簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可用于電學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

學(xué)習(xí)本質(zhì)上是一種思維活動(dòng)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中有效思考可引發(fā)高階思維，促進(jìn)自身深度學(xué)習(xí)。物理教學(xué)的重點(diǎn)是從提煉物理知識(shí)體系層，深入到提升思維能力層。教師在教學(xué)中應(yīng)盡可能利用信息技術(shù)構(gòu)建可視化新型課堂，高效、系統(tǒng)地提高學(xué)生思維能力。思維可視化的重要手段之一就是開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過圖表等將思維呈現(xiàn)出來，將抽象的物理量進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。這樣可以有力地促進(jìn)學(xué)生深度思考，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，提高學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、案例問題呈現(xiàn)

全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽是教育部門認(rèn)可的高水平賽事，在高中綜合評(píng)價(jià)和強(qiáng)基計(jì)劃中起到重要作用，被師生關(guān)注。2021年9月4日，第38屆全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽預(yù)賽正式開賽。此次競(jìng)賽選擇題第5題和解答題第16題，都可借助EDA技術(shù)輔助解答，其中第16題（滿分40分）原題如下（如圖1）。

三、思維可視化仿真實(shí)驗(yàn)輔助解題

第16題涉及模電運(yùn)算放大器知識(shí)，難度較大，學(xué)生可根據(jù)題目中的提示解題，這需要學(xué)生有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和臨場(chǎng)發(fā)揮能力。集成運(yùn)算放大器加上一定形式的外接電路可構(gòu)成各種功能的電路（包括能對(duì)信號(hào)進(jìn)行加、減、乘、微分和積分的運(yùn)算電路，有源整流和濾波電路，波形產(chǎn)生和變換電路等），在控制和測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用也非常廣泛^[2]。

（一）第1問反相比例運(yùn)算電路解題過程

1.仿真探究驗(yàn)證

（1）直流電壓源

首先，教師指導(dǎo)學(xué)生在Multisim仿真軟件中單擊電源按鈕，在POWER_SOURCES信號(hào)源庫(kù)中選擇DC_POWER直流電壓源符號(hào)，單擊確定按鈕，移動(dòng)光標(biāo)到電路設(shè)計(jì)區(qū)，用同樣的方法分別將電阻、運(yùn)算放大器、數(shù)字萬用表等虛擬元器件（儀器）放置到電路工作區(qū)，連接電路（如圖2）。然后，學(xué)生雙擊相應(yīng)元器件符號(hào)，設(shè)置輸入直流電壓值U_in=2.8 V，電阻R₁=10 kΩ，R_f= 33 kΩ;雙擊萬用表儀器符號(hào)，設(shè)置萬用表操作面板上的功能選擇按鈕為電壓，信號(hào)模式為直流。最后，學(xué)生單擊仿真啟動(dòng)開關(guān)按鈕，通過電壓表顯示輸出電壓為U_out=-9.24 V。學(xué)生改變電阻、電壓等參數(shù)，多次仿真，記錄數(shù)據(jù)（見表1），分析U_out和U_in的比例關(guān)系，得出結(jié)論：????????????????，R₁和R_f的阻值決定輸出電壓為U_out的放大倍數(shù)，U_out和U_in相位相反。

（2）交流電壓源

學(xué)生在Multisim仿真軟件中，連接電路（如圖3），設(shè)置（輸入信號(hào)）交流電壓為2.8 V，頻率為780 Hz，設(shè)定R₁=10 kΩ，R_f=33 kΩ，分析雙通道示波器仿真顯示輸入和輸出電壓波形的關(guān)系，加深理解。學(xué)生雙擊雙通道示波器，設(shè)置時(shí)基標(biāo)度為500 us/Div，用于設(shè)置示波器的時(shí)間基準(zhǔn)，即以x軸方向（水平方向）上每個(gè)刻度代表時(shí)間;根據(jù)輸入信號(hào)大小設(shè)置示波器通道A和B的刻度5 V/Div，即以y軸方向（垂直方向）上每個(gè)刻度代表電壓，借助通道A顯示輸入電壓U_in，借助通道B顯示輸出電壓U_out。學(xué)生單擊仿真啟動(dòng)開關(guān)按鈕，通過雙通道示波器仿真顯示測(cè)量結(jié)果，輸出波形圖（如圖4）。學(xué)生通過改變電阻、電壓等參數(shù)，多次仿真，分析U_out和U_in的比例關(guān)系，同樣可得出?????????????????????。

2.理論分析

（二）第2問減法電路解題過程

1.仿真探究驗(yàn)證

學(xué)生在Multisim仿真軟件中，連接電路（如圖5），設(shè)置（輸入信號(hào)）交流電壓U_in1=10 mV（頻率1 kHz），U_in2= 15 mV（頻率1 kHz），R₁=20 kΩ，R₂=10kΩ，R₃=10 kΩ，R_f=20 kΩ?。測(cè)量結(jié)果可通過四通道示波器顯示。學(xué)生雙擊四通道示波器，設(shè)置時(shí)基標(biāo)度為1 ms/Div，設(shè)置示波器通道A、B、C的刻度為20 mV/Div之后，通道A顯示輸出電壓U_out，通道B顯示輸入電壓U_in2，通道C顯示輸入電壓U_in1，通過通道控制旋鈕設(shè)置通道A、B、C的位移分別是-2、0、2。學(xué)生單擊Multisim仿真啟動(dòng)開關(guān)按鈕，借助示波器顯示測(cè)量結(jié)果。在T₁= 2.751 ms時(shí)，U_out= -4.925 mV，U_in2= -14.775 mV，U_in1=- 9.850 mV，滿足U_out=U_in-U_in1。學(xué)生改變電壓、電阻等參數(shù)，多次仿真分析輸出電壓U_out與輸入信號(hào)U_in1和U_in2之間的關(guān)系，得出結(jié)論：當(dāng)R_f=R₁，R₂=R₃時(shí)，U_out=U_in2-U_in1。

2.理論分析

3.歸納總結(jié)

學(xué)生通過仿真探究驗(yàn)證，分析得出結(jié)論：圖1c所示為運(yùn)算放大器組成的減法電路，兩個(gè)電壓信號(hào)分別加在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端，進(jìn)行減法計(jì)算，在輸出端輸出差信號(hào)，當(dāng)R_f=R₁，R₂=R₃時(shí)，U_out=U_in2-U_in1。

（三）第3問反相積分電路解題過程

1.仿真探究驗(yàn)證

學(xué)生在Multisim仿真軟件中，連接電路（如圖6），設(shè)置信號(hào)發(fā)生器參數(shù)，對(duì)積分電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證積分電路的功能和性質(zhì)。函數(shù)發(fā)生器可以提供三角波、方波和正弦波等不同波形的信號(hào)源。學(xué)生設(shè)置輸出信號(hào)頻率為100 Hz，輸出方波的占空比為50%，輸出信號(hào)的振幅為5 Vp，單擊Multisim仿真啟動(dòng)開關(guān)按鈕，查看示波器仿真結(jié)果可知，輸入、輸出信號(hào)滿足反相積分的運(yùn)算關(guān)系，改變時(shí)間常數(shù)可以影響輸出三角波的斜率和幅值。

2.理論分析

3.歸納總結(jié)

學(xué)生通過仿真探究驗(yàn)證，分析得出結(jié)論：若將圖1b中的反饋電阻R_f換成電容C，反相比例運(yùn)算電路變成反相積分電路，可將輸入矩形波U₀變成三角形波U_out輸出，能對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算。

四、總結(jié)

仿真實(shí)驗(yàn)在高等院校已經(jīng)開展多年，效果好，發(fā)展快。2021年11月4日，華中科技大學(xué)參與競(jìng)賽，獲得全球EDA冠軍。筆者從2010年開始嘗試在中學(xué)物理課程中開展思維可視化仿真教學(xué)，在STEM科技創(chuàng)新社團(tuán)中開展電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化活動(dòng)，都達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。

實(shí)踐證明，運(yùn)用Multisim仿真軟件，虛擬仿真探究實(shí)驗(yàn)，輔助解題，效果良好。由于不受實(shí)驗(yàn)器材、儀器等限制，學(xué)生可大膽嘗試，通過多次仿真來探究和解題。學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究驗(yàn)證—理論分析—?dú)w納總結(jié)的解題過程，在解題過程中提升了探究能力和物理學(xué)科核心素養(yǎng)。需要指出的是，虛擬實(shí)驗(yàn)并不能完全替代實(shí)際操作，過多的仿真實(shí)驗(yàn)會(huì)減弱學(xué)生對(duì)真實(shí)元器件的認(rèn)知程度，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)堅(jiān)持仿真和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，才能取得較好的效果^[3]。對(duì)于一些難以用實(shí)物演示的、不易觀察的暫態(tài)分析實(shí)驗(yàn)，很多學(xué)校不具備真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件，可以讓學(xué)生通過仿真實(shí)驗(yàn)熟悉實(shí)驗(yàn)規(guī)范操作步驟，為以后實(shí)際操作奠定基礎(chǔ)。

注：本文系江蘇省中小學(xué)研究2019年第13期重點(diǎn)資助課題“基于PBL低成本創(chuàng)客教育課程研究”（課題編號(hào)：2019JK13-ZA13）的研究成果。

參考文獻(xiàn)

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[2] 周雪.模擬電子技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2017：117-119.

[3] 馬浩洲.Multisim2001仿真軟件在電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2010（2）：52-53.

（作者系江蘇省漣水縣教師發(fā)展中心教研員、高級(jí)教師）