MATLAB仿真技术在“电路”课程教学中的应用研究
中图分类号：G642.421 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）26-0042-02
“电路”课程是高等学校电气工程及其自动化专业的重要基础课，课程知识是对实际问题的抽象研究。电路课程不涉及具体电器元件，主要讲述电路的一般分析计算方法，具有较强的理论性。该课程介绍电路理论的基本知识、基本理论及基本方法，为后续专业基础课及专业课的先修课程。作为一门理论性、实践性都较强的课程，其教学目标是使学生获得电路理论方面的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生分析问题和解决问题的能力，为深入学习后续课程打好基础。[1]
针对该课程的特点，为了尽快引导学生入门，在理论授课、实践教学中引入仿真技术，帮助学生对各知识点的理解和掌握。MATLAB作为强大的仿真工具，对学生直观地、高效地理解电路的相关理论知识点有很大的帮助。笔者在教学中进行了一定的探索和研究。
一、仿真技术在电路理论教学中的应用
电路课程的主要内容包括理论教学、实验教学等，如何激发学生的自主学习能力是一个关键。为了能够进行有效的课堂教学，激发学生的主观能动性，加深对电路相关知识点的理解，提高学生分析问题、解决问题的能力，应该利用仿真技术将理论与实践相结合，贯彻以教师指导、以学习者为中心的学习方式。
1.传统理论教学存在的问题
“电路”课程作为电气工程及其自动化专业的重要基础理论课，为学习电气专业知识起到关键作用，结合新疆农业大学学生的实际情况，“电路”课理论教学存在的主要问题有：教学内容过于抽象，学生觉得难以理解，学习效率较低；电路的定律多，学生不易掌握和应用；电路的分析方法多，课堂学时有限，不能将所有问题都涉及到。学生如何做到举一反三，在课余的学习过程中怎样能够验证对某一问题分析的正确性。
因此在教学中采取何种教学模式，如何全面、系统、有效地教授该课程，激发学生的兴趣，提高学生的积极性、主动性及自学能力，成为教师需要解决的问题。
2.仿真技术在电路理论教学中的应用
根据前述电路理论教学中存在的问题，需要对传统的电路理论教学方法进行改革，而教学方法的改革离不开对教学内容的更新优化和对教学模式的改革。将MATLAB应用到电路课的理论教学及实践教学中，可以很好地解决上述问题。主要表现在：
第一，将抽象的问题形象化，将复杂的问题简单化，从而激发学生的兴趣，提高学生学习的效率；第二，通过MATLAB对分析的问题进行电路建模时可以对已学电路的定律及电路分析方法有更深入的认识。
例如在学习电路网络理论中要涉及矩阵知识，学生在初学二端口电路端口特性的时候，经常会遇到要计算参数矩阵的问题，要计算一个电路的多种参数矩阵，或者问题涉及到二端口电路的互连，题目的计算量可能就会相当繁重，这使学生对知识的理解和应用都会有一些困难，而借助MATLAB这一数学软件来进行矩阵计算，[2]学生就可以克服计算上的困难，通过编程同样可以达到对电路理论和方法的学习，并激发学生对后继课程更大的兴趣。
算例1：信号源（其内阻为）与负载（）相匹配，在其间插入一阻抗匹配网络，如图1所示，已知，，。若，求负载吸收的功率。
从上述过程可以看出学生利用MATLAB软件解题。首先可以简化计算，使学生从复杂的计算中解脱出来；其次，在建模过程中学生通过利用电路定律及电路方法分析问题，提高学生对电路知识的应用及理解，提高了学生分析问题和解决问题的能力；再次，利用MATLAB编制程序，锻炼了学生编程能力，提高了学生的综合素质。最后，可以直观地看到运行结果。
二、仿真技术在电路实践教学中的应用
电路实验是电气工程专业接触本专业的第一门实践课程，是培养学生动手能力的重要环节，这种能力不仅仅是实践操作能力，更重要的是创造性思维能力。
1.传统实验教学存在的问题
传统实践教学存在的问题：第一，验证实验占主要地位。从实验内容上可以看出大多实验是验证实验，从实验手段上看，大多实验是在规定的时间内按照规定的实验线路和实验步骤进行的。第二，教师讲解代替学生预习。为了让学生在规定的时间内完成任务，老师详细的讲解实验，学生完成操作，未能发挥学生的积极主观能动性。第三，学生缺乏实验兴趣，缺乏实验的主动性。大多数学生知识停留在认知过程，缺乏深层次的理解。
2.仿真技术在电路实践教学中的应用
（1）完善基本规范型实验。根据专业培养目标及教学计划，制订了实验教学大纲，并根据专业培养计划的要求，及时调整相关实验内容。实验教学内容的安排，重点是培养学生实践能力，即根据实际电路，分析电路结构及建立相关的数学模型，可以编写出相应的程序或电路模型，并能独立解决调试程序中遇到的问题，改变了过去的单一验证性实验，培养了学生的探索创新精神。
基本规范型实验是学生通过实验对电路中基本知识、基本理论、基本方法最直接的理解途径。通过MATLAB仿真软件对电路的仿真，使学生不仅对电路理论有了更深的理解，同时对电路的实验设计及电路设计有了初步的认识。通过仿真学生将理论计算、仿真计算及实测值进行对比分析，提高学生分析问题的能力。
算例 2：基本规范实验――基尔霍夫定律的验证
1）基尔霍夫定律的验证实验原理图（见图2）
2）利用Simulink搭建仿真电路图（见图3） 学生通过仿真首先可以直观看到仿真结果，可以激发学习的兴趣，加强学习的目的性，其次可以将仿真结果与理论计算及实测值进行对比分析，引导学生进一步思考和讨论，增强认识，找到误差原因，提高学生分析问题的能力。
（2）改革实验内容，研究拓展性实验。拓展性实验是实践教学内容改革的重点和难点，笔者在实验课程中开设研究拓展性实验，以培养学生创新能力。
电路课程虽然是一门专业基础课，但对学生电路的分析能力要求较高。为了通过实践教学提高学生分析电路的能力，笔者通过拓展研究型实验来训练学生的思维，达到举一反三，提高学生的能力。
此部分要求学生自己设计并搭建电路。首先由学生利用MATLAB仿真软件对所设计电路进行仿真模拟实验过程，并进行合理性与可行性分析。如果合理，即可进行下一步骤，否则重新进行电路设计，直到合理。完成实验后，还可将测量结果与仿真值进行比较，并分析误差存在的原因。实践表明将MATLAB仿真软件应用到电路实践教学中对提升学生兴趣、激发学习热情、提升综合实践能力有良好的推进作用。
二、仿真技术应用于电路教学的特点及效果
通过多年教学实践得出以下结论：一是课程实行了理论教学与实践内容相结合的改革，目标明确。依据教学大纲的要求和实践教学的目的，选择能够贯穿实践能力培养的实践项目，教学内容在逐步完成实践项目的过程中展开，课内课外训练并行，通过完成实践项目的训练过程培养学生设计电路的特点。二是基础理论教学内容能即时通过软件仿真验证，说服力强，学生印象深刻。三是各实践环节彼此关联，从小到大，从简到繁，从局部到整体，层层推进，形成了一个完整的实践教学模式。四是仿真技术应用于电路教学中，成为教学的有意补充，教学效果良好，学生反映较好。
三、结论
根据“电路”课程的特点，构建了理论教学、基本规范实验、拓展探究型实验相结合的教学活动，实现了传授、学习、实践等教学全过程的模式改革。通过这些实践教学活动，使学生积累了实践活动的经验，激发了学生浓厚的创新意识，强烈的实践参与意识，为后续专业课程的学习奠定了很好的基础。
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