虚拟实验在“电路理论”课堂教学中的应用

陈希有,李冠林,刘蕴红,董维杰

(大连理工大学电子信息与电气工程学部,辽宁大连 116024)

0 引言

如何提高“电路理论”的课堂教学效果一直是电路课教师不断探索的工作。为此在教学方法和教学手段上已采取了许多改革措施。例如,采用PPT课件或在课堂上进行实物演示等。但PPT课件存在难以即兴进行人机互动的缺点,实物演示又受诸多客观因素限制,视觉效果很不理想。本文介绍了笔者在课堂教学中适当采用虚拟实验来提高教学效果的方法。可以克服PPT教学课件的缺点或实物演示的限制,与板书或课件方法相结合可以收到更好的课堂教学效果。

有较多的教学版虚拟实验工具可以利用,例如PSpice[1]、Multisim[2,3]和PSIM 等。经实际对比,笔者认为,在课堂教学上使用Multisim略胜一筹。主要是因为它具有友好的操作界面和类似真实的测试仪器,像现场实验一样,可以实时改变元件参数或电路结构。

我们已在多个知识点上探索了基于虚拟实验的课堂教学方法。本文在此介绍部分虚拟实验示例。

1 叠加定理和互易定理

图1是含电压源、电流源和受控源的电阻电路。图中的两个开关J3和J4,可用鼠标和键盘实现它们的接通或关断,以控制两个独立电源使其作用或不作用于电路。两个独立电源都不作用之外的三种电压表的读数便能轻而易举地验证叠加定理,也使学生知道了独立电源的“单独作用”和“不作用”是怎么回事。

图1 叠加定理虚拟实验

我们设计了图2所示的互易定理虚拟实验电路。图2(a)和图2(b)两个电路中电压表的读数完全相同。这一实验可以帮助学生理解抽象的互易定理。学生可以仿此对另外两种形式的互易定理[4,5]设计相应的实验。

图2 互易定理虚拟实验

教学中,教师可以即兴加入受控电源,结果两个电压表的读数不再相同。学生直观理解了互易定理对含受控源的电路一般不再成立。

2 RLC串联交流电路和运放电路

RLC串联电路是教学的重点。我们设计了图3所示电路,通过测量各元件电压有效值和总电压有效值,对比它们的关系,并与直流电路情况进行对比,提出问题以启发思考。频率、电阻和电容等参数都可实时调节,具有身临其境感。还可以进行串联谐振现象的虚拟实验。

图3 RLC串联交流电路虚拟实验

由于在教学时采用的是简化的运算放大器符号,所以学生不理解输入电流为零而输出电流为何不是零。为此,设计了图 4所示的积分电路。通过演示,学生明白了运算放大器在使用时还得加上直流电压源,可以联系实际消除疑问。另外,和真实的 Tektronix和Agilent示波器相同的虚拟仪器界面,也让学生感到兴奋。输入为正弦电压时,积分器的输出电压存在直流分量,这是课堂教学时常被忽视的现象,实验结果引导学生深入思考其中的道理。

图4 运算放大器积分电路虚拟实验

3 三相电路中线的作用

在应用三相电时,中线的作用很重要,要求学生必须透彻理解。对图5所示电路,通过实时闭合或断开各开关,可以进行对称、非对称、有中线和无中线实验。灯泡亮度随其电压大小而变化。当超过灯泡额定电压时,灯泡会因烧毁而熄灭,十分接近实物实验。

图5 三相电路中线作用虚拟实验

4 RL电路的暂态响应

在图6(a)的RL暂态电路中,突然切断RL负载会产生过电压,这一现象利弊兼有,且工程中常见,教学时应使学生透彻理解这一现象的规律。在图6(a)中,我们不断扳动开关J1可以反复体验这一现象,RL负载电压如图6(b)所示。改变元件参数值,可以加深理解过电压的量值与元件参数的关系,启发寻求解决方法,并立即得到验证。

图6 RL电路暂态响应虚拟实验

5 状态轨迹

状态轨迹是教学难点,主要是因为它不易手工描绘,也无动感,借助虚拟实验可以变难为易。图7(a)是典型的RLC电路,扳动图中的开关J1,可以在示波器上看到状态轨迹的演变过程,如图7(b)所示。其中横轴是电容电压,纵轴是电感电流。

图7 状态轨迹虚拟实验

6 谐振升压电路

如何用低压交流电压源在大电阻上产生高电压,是一个有工程应用价值的问题。图8所示为不含变压器的简单电路。L1和C1在满足谐振条件时,R1上的电压有效值达到最大。图中显示的电压U2已升到了5.797kV。借此引导学生进行原理分析和理论计算。

图8 谐振交流升压虚拟实验

7 仿真线和信号传输

我们可利用教材[5]中公式设计一段仿真线,用以理解传输线集中参数等效电路的概念和驻波的形成规律。为便于观察,仿真线的设计使波腹和波节恰好出现在节点处。通过扳动电路右边的开关J1,使终端分别处于开路和短路状态,观察波腹和波节的变化。振动强的是波腹,弱的是波节。由此学生明白了传输线集中参数等效电路的用途及驻波形成的概念和规律。

图9 仿真线及驻波虚拟实验

信号的无畸变传输概念非常重要。实现信号无畸变传输的条件是,使用无畸变线(例如无耗线)且终端处于匹配状态[5,6]。如在上图无耗仿真线最右侧加一个可变电阻R3就可以进行信号传输的虚拟实验。改变可变电阻R3,当终端处于匹配状态时,线路各点电压波形相同,从始端到终端,相位依次滞后;当处于非匹配状态时,与始端电压相比,线上各点电压发生畸变,不能正确传输信号。通过实验,学生可深入理解畸变的涵义和实现无畸变传输的条件。

8 结语

精心设计的虚拟实验引入课堂教学可以充分发挥教师的教学想象力,利于激发学生主动思维,增强课堂教学效果。为此教师要创新教学思路并乐于为此付出更多努力。我们设计的这些虚拟实验正以资源库的形式不断丰富和完善。

[1] 穆秀春,华春梅,吕中志.PSpice电子仿真及应用[M].北京:科学出版社,2010

[2] 张新喜,许军,王新忠.M ultisim 10电路仿真及应用[M].北京:机械工业出版社,2010

[3] 唐赣,吴翔,苏建峰.Multisim 10&Ultiboard10原理图仿真与PCB设计[M].北京:电子工业出版社,2008

[4] 陈洪亮,张峰,田舍平.《电路基础》[M].北京:高等教育出版社,2007

[5] 陈希有,孙立山,柴凤.《电路理论基础》(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2004年

[6] 俞大光.《电工基础》(修订本,中册)[M].北京:人民教育出版社,1965