Simulink仿真软件在电工技术教学中的应用

任亚明

【摘 要】文章将CDIO的 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 教育理念融入电工技术课程的教学过程中，结合SIMULINK仿真软件直观、具体和容易接受的特点，通过对叠加原理的实验验证，从实践的角度支持学生获得直观的学习经验，从而使课程的教学过程变得具体而生动，提高学生的学习效果。

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G642.4 A 1674-0688（2019）06-0105-02

0 引言

CDIO工程教育模式是由麻省理工学院、瑞典皇家工学院、瑞典查尔莫斯工业大学和瑞典林雪平大学4所大学经过4年的研究提出的工程教育理念。CDIO工程教育理念，受德国“双元制”的影响比较大。所谓“双元”，是指学生既要接受学校的培养，同时也要在企业或公共事业单位等校外实训场所接受专业技术的培训。CDIO工程教育模式借鉴德国“双元制”经验的同时，更加注重学生的自主学习能力和综合能力的培养，所提出的CDIO工程教育理念包括构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运行（Operate）4个步骤[1]。

CDIO并不仅仅停留在概念上，它提出了切实可行的培养大纲和12条检测标准。培养大纲包括专业知识、职业道德、团队协同和CDIO实现4个方面，通过3级、70条、400多款以精细和具体的方式将CDIO的理念和要求完整地描述出来。12条标准为教师如何执行、如何检验和如何评估教学过程提供了具体的指导。因此，CDIO对工程类专业课程的教学实践具有很高的实际应用价值[2]。

电工技术是机械类专业基础课程，与生产过程紧密联系，具有极强的工程应用性。传统的教学模式中存在如下问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ：一是教学 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 多。电工技术所包含的内容比较广泛，涵盖了模拟电子技术、数字电子技术和电路等课程并站在工程的角度将几门课程融合在一起。二是讲授内容较为抽象，电工技术课程讲授中，涉及较多的定理，这些定理理论性强，不易理解，给学生的学习造成了困难。

本文从CDIO的标准6——工程实践场所：“实践场所和其他学习环境怎样支持学生动手和直接经验的学习？”为切入点，在电工技术课程的讲授过程中，支持学生的动手能力，通过专业的Simulink仿真软件，验证所学到的知识，使得学生在实验过程中所得到的实际的经验与教师讲解内容相结合，是一种对CDIO教学理念标准6的一次有益尝试。

本文所采用的仿真软件为MathWorks公司开发的MATLAB仿真软件。基于MATLAB仿真软件的常用的编程方法有两种：基于M文件的方法和基于SIMULINK的方法。基于M文件的方法需要学生具有较强的编程能力，仿真通过代码的形式实现，较为抽象。基于SIMULINK的仿真方法，可以直接利用软件提供的可视化模块，通过连线搭建模型，直观而具体，易于学习，容易激发学生的学习兴趣。本文采用基于SIMULINK的方法，让学生通过自己的仿真操作得到实际的经验，从而有效地开展教学工作。

1 具体实现过程

电工技术课程中有着较多的教学环节，本文选取电路叠加原理为例，说明具体的教学方法。

1.1 叠加原理的理论介绍

叠加定理描述为：“在线性电路中，任一支路电流（或电压）都是电路中各个独立电源单独作用时，在该支路产生的电流（或电压）的代数和[3-4]。”

根据叠加原理的描述我们可以知道，在叠加原理的使用过程中我们必须遵守以下几个原则。

 （1）叠加原理使用的范围：叠加原理仅仅适用于线性电路的求解，所求解的问题局限于电压和电流这两个物理量;叠加原理不适用于非线性电路中，例如功率的求解就不能应用叠加原理，因为根据功率的计算公式可知，功率是电源的二次函数，不满足线性的要求。我们在求解问题之前一定要注意原理的适用范围，不然所得的结果容易出现错误。

 （2）应用时，电路的结构参数及参考方向必须前后一致。对于原理中“独立电源单独作用”我们可以这样理解：一个电源作用，其余电源不作用。具体来说就是：对于独立电压源，将其短路，对于独立电流源，将其断路。

 （3）对于含受控源的线性电路亦可使用叠加原理。

 （4）线性元件：在电子电路中，线性元件是一种电子元件，与电流和电压有线性的关系。例如：电阻元件其电流跟电压成正比，伏安特性曲线是通过坐标原点的直线，因此我们可以说电阻是线性元件。

（5）非线性元件：输入量和输出量没有线性关系的电学元件。典型的非线性元件是二极管、三极管。

根据以上的描述，我们了解了电路叠加的原理、使用的前提条件和范围。

1.2 基于SIMULINK仿真软件的可视化验证

上文介绍了电路叠加原理，下面我们将通过SIMULINK建立模型验证电路叠加原理（如图1所示）。随后我们将对该模型应用叠加原理进行相应的分析与说明。

图1为为了验证电路叠加原理而建立的SIMULINK仿真模型。在图1中，我们设置了2个直流电压源，分别命名为DC Voltage Source 1和DC Voltage Source 1，其电压分别设置为10 V和8 V。R1、R2和R3均表示电阻，其电阻值分别设为2 Ω，12 Ω和4 Ω。在圖1中，我们将加在电阻R2两侧的电压值和流过电阻R2的电流值作为研究对象，因此在图1中添加电流测量模块和电压测量模块，并利用显示块，直观地将其电压值和电流值显现出来。根据图1可以看出，加在电阻R2两侧的电压值为8.4 V，流过电阻R2的电流值为0.7 A。

为了验证电路叠加定理，我们先设置电压源1正常工作，电压源2短路（如图2所示）。运行该仿真模型可以得到以下数据，加在电阻R2两侧的电压值为6 V，流过电阻R2的电流值为0.5 A。然后我们设置电压源1短路，电压源2正常工作（如图3所示）。运行该仿真模型可以得到以下数据，加在电阻R2两侧的电压值为2.4 V，流过电阻R2的电流值为0.2 A。

综合图1、图2和图3中得到的信息，我们可以得到如下等式：

6+2.4=8.4（1）

0.5+0.2=0.7（2）

公式（1）表示，在线性电路中，任一支路电压都是电路中各个独立电源单独作用时，在该支路产生的电流（或电压）的代数和，即电压源1独立工作时和电压源2独立工作时加在电阻R2两侧的电压值6 V和2.4 V线性代数和为8.4 V，与该电阻实际两侧电压值8.4 V相一致。

公式（2）表示，在线性电路中，任一支路电流都是电路中各个独立电源单独作用时，在该支路产生的电流（或电压）的代数和，即电压源1独立工作时和电压源2独立工作时流过电阻R2的电流值0.5 A和0.2 A线性代数和为0.7 A，与该电阻实际流过电流0.7 A相一致。

至此，我们利用SIMULINK仿真元件验证了给定的仿真模型遵守叠加原理，该验证过程利用图形化的SIMULINK仿真软件，其含义清晰，过程明了，学生可以得到最直观的经验。

2 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf

本文以CDIO的教育理念为指导，从CDIO的标准6——工程实践场所的角度开展教学过程的讨论，展示了基于SIMULINK仿真软件的教学方法在理论教学中的应用。SIMULINK仿真软件的直观性容易为学生所接受，能为学生提供直接的经验，配合教师在课程的讲解，提高了学生学习的效率。

参 考 文 献

[1]吴晓，唐艳秋.基于CDIO理念的应用统计学专业教学改革实践[J].科教导刊（下旬），2018（11）：53-54.

[2]刘代飞，付强，陈前军.智慧能源背景下控制系统仿真课程的CDIO模式教改实践[J].科教导刊（下旬），2017

（3）：81-82.

[3]赵冬梅，周国军，郭姣.“电路分析基础”中叠加原理的教学思路分析[J].中国电力教育，2014（14）：90-91.

[4]方洁，杨国丽，欧阳艳蓉.针对叠加原理的教学研究[J].科技风，2017（18）：43.

[责任编辑：陈泽琦]

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