MATLAB在电工电子学教学中的应用

[摘 要]文章以实例的形式介绍了MATLAB在电工电子教学中的应用，并通过教学实践证明MATLAB的引入可以丰富课堂内容，激发学生的学习兴趣，对提高教学效果有积极的促进作用。

[关键词]电工电子学课程；教学实践；MATLAB

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2017.01.202

1 引 言

众所周知，电工电子学是非电类专业学生必修的一门技术基础课，教学的内容涉及电路原理、模拟电子技术和数字电子技术等多个学科，具有内容杂、概念多、知识面广、公式繁杂、电路类型多、综合性强且实践性强的特点。而学生又分布在多个非电专业，近年来我校的电工电子学课程的学时几次缩减，又进一步加大了教与学难度。因此就要求教师在电工电子学教学中，努力提高学生的学习兴趣，使其能够完成该课的学习任务。教学过程中教师要针对不同的教学内容采用不同的教学方法以收到较好的教学效果。因此，如何根据该课程的特点将现代科学技术应用于电工电子学的课堂教学和实践教学中，不断地改进、完善、发展和创新教学方法，为教师和学生营造更好的教与学的环境，不断提高教学质量和效率，是电工电子学的任课教师一直探索的问题。

2 MATLAB软件引入电工电子学教学中的优势

电工电子学传统的教学模式是教师在台上讲，学生在下面听。对于学习习惯比较好的学生能够积极认真的听讲，跟着老师的思路走。而对于学习比较被动的学生上课经常低头做其他事情，老师反复提醒都没有效果。由于电工电子学中很多知识点的熟悉、掌握要靠机械性地记忆和理解记忆相结合，学习的过程比较枯燥，容易使学生感到倦怠而缺乏持久的学习兴趣。并且该课程的内容前后衔接紧密，一旦前面内容落下或缺课，后面的内容学起来就会非常吃力。但是电工电子学课程内容的掌握及实践技能的培养又离不开看似枯燥的反复记忆和训练。近年来随着信息技术的发展及计算机应用的普及，用计算机软件来辅助教学正在成为一种趋势。通过MATLAB软件在课堂上辅助讲解电路及电子技术方面的知识，用MATLAB编程来求解复杂的电路方程，不仅能够提高学生学习兴趣，使学生更好的理解电路工作原理，让学生学会计算机软件辅助理论学习的方式和方法，而且对工程素质的培养也起到很好的作用。

电工电子学实验课程主要目的是培养学生的动手、动脑及创新能力。由于该课程的理论部分概念多、数学含量大、计算复杂、综合性强，使得相当部分学生学起来比较吃力。在实验过程中，由于理论知识学的囫囵吞枣，很多学生更无从下手，导致实验教学效果差，达不到实验技能训练的目标。为此，在电工电子学实验中引入MATLAB计算机仿真软件，当结合MATLAB进行仿真实验时，不仅可以迅速得出实验结果，还可以很快做出相应的图表曲线。因此在电工电子学实验中引入MATLAB仿真软件，既让学生加深对专业知识的理解又提高了实效率。

3 结合MATLAB软件的电工电子学教学实例

下面通过几个教学实践中的具体实例来介绍引入MATLAB辅助教学的应用。

3.1 在直流电路分析中的应用

例：电路如图1所示，已知：E1 = 140V，E2= 90V，R1=20Ω，R2=5Ω，R3=6Ω，试用支流电流法求解各支路电流。

电路分析的做法就是要用数学方法求解上述方程组。

求解的数学过程则可以通过MATLAB来实现，运行以下MATLAB语句

上述语句输完后直接按“回车键”即可显示运行结果I1=4，I2=6，I3=10。

由此可见，利用MATLAB解方程组的计算过程十分快捷方便。提高了解题的效率且不容易出错。

3.2 在正弦稳态电路分析中的应用

例：电路如图2所示，已知：Z1=4Ω，Z2=6Ω，Z3=2Ω， U°c=12∠30° V

求I1，I2，I3和U°L，U°s并画出相量图。

在交流电路的分析中，采用了相量法来简化计算过程。而相量与阻抗的应用就必须引入复数运算，尤其是复数方程的求解对于大多数学生来说都是个数学难题。在此可以借助于MATLAB软件大大简化了计算过程。

3.3 在整流电路分析中的应用

MATLAB的提供了灵活的仿真功能，特别是SIMULINK这一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境的出现。进入 SIMULINK可以建立一个“模拟实验室”。其中各种元器件及其接线和测量仪表都类似于实际的实验过程。在仿真平台上搭建桥式整流电路，见图4。

图4 仿真整流电路模型

由图4可知，通过SIMULINK建立的仿真模型的元件及电路结构于实际的理论电路模型基本一致，SIMULINK的仿真工具箱里有各种元器件和测量仪器，不仅构建电路简单，数据测量与观测也很方便。通过仿真示波器观测到的全波整流的效果图如图5所示。

图5 负载和电源上的电压波形

通过这个仿真电路模型可以很方便地调整电路参数，然后观察模拟示波器上输出波形的变化。

4 结 论

计算机仿真软件在教学科研上有很广阔的应用前景，文章只是介绍了MATLAB在电工电子学课程教学中的部分应用实例。在电工电子学教学中借助MATLAB科学计算、绘图、波形分析及电路仿真等是教学中的创新和大胆的探索，不仅能够提高学生学习兴趣，使学生更好的理解电路工作的过程及原理，而且对工程素质的培养也起到很好的作用。