虚拟仿真技术在电路课程中的应用

魏伟 张磊 沈阳科技学院 信息与控制工程系

随着电子设计自动化技术的突飞猛进，Matlab、Altium Designer、PSpice、Multisim 等虚拟仿真软件已广泛应用于高校教师信息化教学与实践中，成为教师日常教学的重要手段和方法。

传统的电路授课主要采用板书与多媒体相结合，通过知识点的讲解及PPT 电路演示进行教学，理论课与实验课是分离的，没有结合生产、生活实际，这就导致技能训练得不到及时的理论指导，学生对电路知识及技能的掌握不到位。

虚拟仿真教学是利用计算机硬件及软件共同模拟出真实的电路环境，通过人机交互设计，结合生活实际中的电路现象和规律作为课堂案例，提炼出问题情景，让学生如置身真实环境般在虚拟环境中进行互动。通过仿真技术的应用加强理论课程与实际电路间的联系，从而激发学生的学习兴趣，提高解决实际电路问题的能力，使课堂理论教学向应用型实践教学转变，提升学生的实践应用能力。

一、虚拟仿真技术的教学演示功能在理论教学中的应用

《电路》是电气信息类专业重要的专业基础课，理论与实践结合紧密，学生必须对电路的基本原理、基本结构和基本分析方法熟练掌握，才能达到学以致用的目的。在直流部分中，对基尔霍夫定律、叠加定理、戴维宁及诺顿定理的掌握尤为重要。在课堂教学设计中，以实际问题为驱动，抽象出具体电路，按照定理分析思路，依托虚拟仿真平台，采用共同探讨电路规律和现象的教学新模式，解决学生听课过程中的疑问，能够使师生之间的交流更加便捷，使学生充分体验电路规律的认知过程。

例如在讲解叠加定理时，学生对功率不能叠加这一注意事项往往带有疑问。教师授课时也会通过公式推导加以证明，但学生理解有限。此时可借助虚拟仿真技术，采用Multisim 仿真软件进行生动说明。如图1 所示：

图1 Multisim 仿真示例

该电路中，将两个电源共同作用的电路分解成电源独立作用的分电路。此时分电路中10Ω 电阻产生的功率分量分别为3.6W、10W，其和并不等于原电路中10Ω 处的1.6W。通过仿真软件，可以直观地显示结果。

此外，当电路中存在多个电源时，学生通常也对电路中电流的实际流向感到疑惑。此时亦可运用仿真软件EveryCircuit，如图2 所示，将能流生动地展现在学生面前，能够有效的提高教学效率及教学质量。

图2 EveryCircuit 仿真示例

二、虚拟仿真技术的电路设计功能在实践教学中的应用

高校实验室中，电路实验设备通常存在设备老旧、实验内容单一，实验项目往往以验证性为主，缺乏对学生自主设计性实验的考查[3]。同时，实验中各组件可能互相干扰，数据精准性难以保证，实验误差较大。如果学生电路设计的不合理，还会出现仪器损坏等情况，增加设备维护费用。

虚拟仿真器件与实物器件相比有较高的相似度，绝大部分实物器件均可在元器件模型库中找到。此时只需要根据设计的电路原理图，在电路符号库中输入相应的虚拟元器件，连接后系统会提取模型参数，自行建立电路方程并进行求解。点击输出环节，如电压表、示波器、频率计等，查看数值、波形等输出结果。若满足实验要求，即可在实验设备上连线，提高实验的成功率，弥补真实实验中仪器的不可控因素，同时也是对实验结果直观的验证。

此外，在电子电路课程设计中，虚拟仿真技术也有广泛的应用前景。主要优势在于：第一，可以弥补实践设计教学中对硬件的极度依赖，避免实际电路过流或过压造成器件的损毁，安全可靠，准确率高。第二，仿真实验过程简洁高效，可随时更换虚拟元器件，及时排查分析故障，在仿真环境中进行器件修改，简便易行，效果明显。第三，仿真结果可信度较高，减少元器件损耗，降低开发设计成本。

三、《电路》虚拟仿真技术与超星学习通的融合模式

超星学习通基于互联网的实时、交互、多媒体远程教学，是一个功能强大的网络多媒体通讯平台。教师可将虚拟仿真课件或微课上传平台与学习通相融合。

首先，围绕授课内容，直流部分依托基本定律及基本分析方法搭建虚拟仿真实验平台，交流部分以单相及三相电路为主，侧重于波形及数值的仿真分析。将软件程序上传课程平台，供学生下载学习；其次，在平台导入基于生活实际电路模型，学生课下对电路功能进行仿真，师生在平台上双向交流，探讨问题，改进不足，实现理论与实践教学的有机结合，增强学生的实践操作能力与分析能力，促进向应用型教学的转型。

四、结束语

《电路》课程是电气信息类专业一门重要的专业基础课程，对学生工程应用能力及创新思维的培养具有关键作用。将虚拟仿真技术应用到电路教学中，是现代化教学的重要手段。通过提炼规律-上升理论-总结实践的教学方式，结合虚拟仿真技术，可以直观、生动地展现电路规律及电路特性，激发出学生求知欲和实践探索精神，实现应用型人才培养的目标。