基于EDA 技术的电工电子技术课程的教学探索
——以NI Multisim 软件实施为例

（福建船政交通职业学院信息工程系，福建 福州 350007）

《电工电子技术》课程是福建船政交通职业学院电子信息工程技术专业学生必修的一门专业基础课，70 学时，是一门实践性很强的技术平台课。为了支撑后续专业课程，如“微机原理与接口技术”“单片机原理及应用”“LED 原理及应用”“显示技术”等的学习，教学内容涵盖三大部分：电工电路、模拟电路、数字电路，具体分为9 大模块：直流电路、电路暂态分析、正弦交流电路、三相交流电路、半导体二极管和三极管、基本放大电路与集成运算放大电路、直流电源、门电路和组合逻辑电路、触发器和时序逻辑电路。课程内容涉及的理论知识较多并且比较难，学生反映不好掌握。

一、高职院校电工电子技术课程教学现状

（一）学生特点

现在高职院校学生生源普遍多样化。中职生源学生数理化方面的知识较薄弱，对学好这门课程的理论部分缺乏自信心；普通高中生源学生因没实际接触过电子元件，对实践部分无从下手，容易产生逃避心理。原有的传统教学模式，希望在有限的课堂时间内让学生掌握更多知识，会按照教材进行大量的理论知识讲解，中职生源学生对部分较难理解的理论知识囫囵吞枣，日积月累，慢慢地失去学习兴趣，最终自我放弃、消极对待。普高生源学生一遇到实验，看到一堆电子元器件，不知所措，实验成功率较低，碍于面子，慢慢地能躲则躲，越来越被动。若能找到一种教学方法改正两种生源学生各自的学习弱点，合理引导他们在学习中互为补充、相互配合，发挥各自优点，定能提高教学效果。

（二）电工电子技术课程教学现状

目前，大部分教师还是利用课程教材相关教学PPT 文件按传统模式进行教学。传统教学模式主要以教师为中心学生被动接受，该模式的优点是有利于教师发挥主导作用，有利于教师对课堂教学的组织、管理与控制，有利于理论知识的高强度集中传授。［1］但它往往忽略了学生的主动创造性和主体认知作用，限制学生发挥想象力，特别是一些微观世界现象或内部构造复杂的理论知识，学生在原有知识的基础上难以建构新的知识。电工电子技术是一门理论指导实践，在实践中进一步理解理论的课程，理论与实践并重，但从高职教育的特点以及就业导向考虑，重在培养学生实践动手能力。但实际教学中由于学生理论知识不扎实，又受到学时与实验场地限制，实验无法开展太多，并且多数实验内容是根据已知原理图搭建实物图进行理论知识验证，往往造成学生认为实验只是简单的电路接线和结果测试。比如在实验教学过程中，考核学生各电子元件在搭建的实物电路板中的功能或如何快速判断电路搭错范围时，学生无法运用所学知识解析，往往拖长排错时间。因此传统教学模式不完全适于高职院校电工电子技术课程教学，无法培养学生的综合应用能力与解决实际问题的创新能力，应该对原有的教学方法进行改革。

二、基于EDA 技术的仿真教学法

EDA 是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，它以计算机为工具，设计者通过EDA 软件平台，完成各类电子系统的设计、仿真、直至特定目标芯片的设计。［2］在教学中引入EDA 技术是使用EDA 的软件平台，如Multisim，Proteus 进行教学仿真。仿真教学也称为模拟教学，就是用计算机来模拟真实自然现象或社会现象，［3］是一种将理论与实践相结合的新教学手段。它与传统的现场教学法有异曲同工之处。现场教学法是直接在实习基地和模拟现场进行教学，边讲边做。这种教学方法的好处是直观性强，可把所学知识马上付诸于实践。［4］但在实际应用中，由于搭建电工电子技术所需的实习基地或模拟现场需要大场地和大量实验设备，所需成本较高，此教学方法不容易实现。再者，目前计算机技术与多媒体技术的高速发展，人类知识以文字、图形、图像、动画、音频、视频等多种形式呈现并传播，人类可以发挥不同感观获取知识。据教育学家研究表明，人类接受知识主要是靠视觉和听觉，就其比例来说，视觉占83%，听觉占11%，味觉占1%。［5］在记忆方面，只听不看的，三天后留下的印象是15%；边听边看的，三天后留下的印象是75%。［6］因此，在电工电子技术课程教学过程中如果能把理论知识以图形图像或动画视频方式呈现，学生边听边看，就能够得到更好的学习效果。仿真教学法通过仿真不仅能为学生提供近似真实的训练环境，［7］又能呈现事物动态变化过程，因此，在很大程度上能弥补客观实验条件的不足，是传统教学方法的有利补充。

三、应用NI Multisim 软件实施仿真教学举例

NI Multisim 软件是美国国家仪器有限公司（NI）推出的基于Windows 平台的仿真工具，［8］适用于包括电工电路、模拟电路、数字电路、单片机仿真电路、电路故障诊断应用电路等多种电子电路的设计、测试及特性分析。该软件的元件库器件数量多，虚拟仪器有20 多种，可建立虚拟实验室，鉴于该软件的优势，在电工电子技术课程理论教学中引入基于Multisim 软件的虚拟仿真演示，把抽象知识具体化，并促进课程理论与实践环节的有机融合。［9］课程教学模块“电路暂态分析”中，主要围绕电容、电感在暂态电路中的特性展开。暂态过程对电路的影响大，但它发生时间短，为提高学生对该知识点的具体认知，应该在课堂教学中向学生具体展示实验过程与结果，但调试过程会比较长，影响整个教学进程。因此，在本模块教学中引入多个仿真演示，以下就以一阶RC 电路应用教学内容为例，介绍利用Multisim 的虚拟仿真进行教学改革的具体实施过程。

学生获取知识的途径大部分是通过听觉，大部分学生反映知识比较抽象，在学习这一知识点的过程中没有实感，不好理解以至于很容易忘记推出的结论。因此，在理论课堂教学中引入Multisim 仿真一阶RC 电路的实际应用，模拟实验环境，以动态的形式呈现教学内容，让学生通过更多视觉刺激获取知识。图1 左边电路是一阶RC 积分电路，图1 右边是相应的波形图。图1 左边电路的电阻与电容各取最大值的30%，这个值在仿真过程中可以随时调整，“XFG1”是信号发生器，在该电路中，信号设置为矩形脉冲波，频率1kHz，占空比50%，幅度2.5V，偏置2.5V，即输入信号是5V/1kHz 的方波信号。［10］示波器输入通道A 接信号发生器，即显示方波信号；通道B接电容两端，即显示电容两端电压变化波形。通道A、B 的连接线颜色可自行选择，此时我们为通道A 默认选择黑色，通道B 选择红色，即电容充放电波形为红色，目的是为了更清晰地进行波形对比。实际仿真过程中，图1 到图4 的所有波形图都是沿水平t 轴动态变化的图形。从图1 右边的动态波形图中可以很容易观测到，当方波为高电平时，电容此时处于充电状态，反之，方波为低电平时电容放电。此时脉冲宽度tp=0.5T=0.5/f=0.5ms，τ=0.3*103*0.3*10-6=0.09ms，tp>τ，电容充放电速度较快。还可以从波形图看出，在高低方波的末尾，两种波形有一段重叠，即方波还未从高电平跳到低电平时，电容已充电完毕；反之，放电波形也有重叠现象。通过调整R、C 参数改变电路时间常数，得到不同的输出电压波形图。如图2 所示，τ=1*103*1*10-6=1ms，当方波脉冲电压从0 跳变到5V 时，电容开始充电，由于此时τ>>tp，电容两端电压增长缓慢，还没达到5V 时，方波脉冲电压已经从5V跳变为0，电容开始放电，还没放电完毕，方波脉冲电压又跳变为高电平，输出端得到一个近似锯齿波电压。此时，可以告诉学生，在脉冲技术实际应用中，需要将矩形脉冲信号变为锯齿波信号就是应用此类积分电路。图3 左边电路与图1 电路一样，只是选择电阻两端电压作为电路输出电压，称之为微分电路。此时，tp还是为0.5ms，τ=0.75*103*0.8*10-6=0.6ms，此时τ>tp。调整R、C 参数，可以得到不同的电压波形。当τ=2*103*1*10-6=2ms>>tp时，输出电压接近输入电压波形，如图4 左边所示。此时，可以告诉学生，此电路常用于多级放大电路的阻容耦合电路中，阻容耦合电路将在此课程的后半部分学到，学习电子技术知识需要电工知识的支撑，不要再质疑为何要学习抽象的电工知识了。当τ=0.1*103*0.15*10-6=0.015ms<

图1 积分电路与波形图

图2 锯齿波形图

图3 微分电路与波形图

图4 时间常数不同时的输出电压波形图

图5 测试幅频特性电路

图6 测试幅频特性电路

为拓展RC 电路知识，在图1 所示电路中，把示波器换成博德图仪（Bode Plotter），如图5 所示，分别测试R、C 的幅频特性。博德图仪水平轴设置为线性形式，初始值和最终值分别为1Hz 和1kHz，垂直轴设置为线性形式，初始值和最终值分别为0 和1，“XBP1”和“XBP2”分别测试电容C、电阻R 的幅频特性，得到如图6 所示的幅频特性图。从图6 的左图看出，由于电容的容抗与频率成反比（ZC=1/2πfc），其输出响应幅度随着输入信号扫描频率从低到高不断下降；电阻阻抗与频率无关，此时高频分量主要加在电阻上。因此一阶RC 电路具有高通（电阻输出电路为高通电路）或低通（电容输出电路为低通电路）的滤波特性。电容与频率关系知识点在之前讲解电容特性时已经学过，此时通过电路仿真能够巩固并拓展已学知识，进一步加深学生知识记忆。

通过教学实践证明，在课堂理论教学中引入仿真演示教学法能够打破时间和空间的限制，通过仿真软件设置各种参数与模拟条件，能够更高效地向学生传授知识；所有的操作均不是现场实施，节省实验室或实习基地建设资金，也绝对不会带来危险的后果，［11］保证师生安全；仿真软件可由学生独立操作，独立完成，能够为学生提供充分动手的机会，也杜绝学生做实验时弄虚作假；学生仿真时间灵活，不局限于课堂，更容易调动学生的学习主动性；教师可以布置相应的作业，拓展学生知识，让学生更直接地感受到知识的魅力。