虛擬儀器技術(shù)在電子與通信專業(yè)教學中的應(yīng)用

劉海陵 徐志國 陳正宇

摘要：虛擬儀器技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于測量與控制領(lǐng)域的工程應(yīng)用之中。同時，該項技術(shù)也可以作為一種有效的教學工具來提高電子與通信類專業(yè)教學質(zhì)量，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神，提高動手能力和工程經(jīng)驗，加深他們對于所學課程的理解。本文介紹了虛擬儀器技術(shù)對于金陵科技學院電子與通信類專業(yè)教學的作用與意義。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；電子；通信

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）01-0218-02

一、虛擬儀器技術(shù)簡介

虛擬儀器（Virtual Instruments，簡稱VI）的概念，最早是由美國國家儀器公司（National Instruments Corp. 簡稱NI）于1986年提出來的，其基本原理是以計算機為硬件平臺，使原來需要硬件實現(xiàn)的各種儀器功能盡可能地軟件化，利用高效靈活的軟件控制高性能的硬件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)功能與靈活性。用形象語言來概括虛擬儀器的原理，即“軟件就是儀器”[1]。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性與經(jīng)濟性，因而特別適應(yīng)于當代科學技術(shù)迅速發(fā)展和科學研究不斷深化所提出的更高更新的測量課題和測量需求。

（一）虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于電子與通信類專業(yè)的背景

電子與通信類專業(yè)在金陵科技學院工程類專業(yè)中占有重要的地位，對我校應(yīng)用型本科專業(yè)的建設(shè)具有示范作用。然而，在這兩個工程類專業(yè)的教學中長期存在一些問題，具體表現(xiàn)為：

1.重視理論知識的學習，輕視動手能力和實踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，學生動手能力差，工程實踐經(jīng)驗明顯不足，而這些問題又反過來弱化學生對于理論知識的理解，最終導致學生對所學專業(yè)缺乏興趣與信心[2]。

2.從未或很少將真實的物理信號引入課堂教學中，導致教學過程理論脫離實際，學生對于本專業(yè)的理論知識和應(yīng)用場景缺乏真實的、直觀的認識。

3.理論學習環(huán)節(jié)與實踐實習環(huán)節(jié)相脫離，實踐實習環(huán)節(jié)往往安排在理論學習結(jié)束之后，間隔時間較長，學生無法及時對所學知識進行鞏固與提高，導致實踐實習環(huán)節(jié)效果不理想[3]。本文將介紹虛擬儀器技術(shù)在電子與通信類專業(yè)教學中的應(yīng)用，幫助學生將理論學習、工程實踐和創(chuàng)新能力結(jié)合起來，提高學生在工程實踐中獲取知識的能力、綜合分析的能力、解決問題的能力和實踐創(chuàng)新的能力，從而突出我校應(yīng)用型本科教學的特點。

（二）虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于電子與通信類專業(yè)教學中的指導思想

電子與通信類專業(yè)的特點是工程實踐性強，對學生的動手能力和動手意愿要求較高。這一特點就決定了實踐對于專業(yè)學習至關(guān)重要的作用[4]。所以，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于電子與通信類專業(yè)的教學也主要體現(xiàn)在對于工程實踐教學環(huán)節(jié)的意義，其指導思想如下：

1.在工程導論環(huán)節(jié)，對于剛?cè)雽W的大一新生，讓他們接觸各種基于虛擬儀器技術(shù)的綜合電子系統(tǒng)，如基礎(chǔ)機器人系統(tǒng)，傳感器與驅(qū)動器器系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)等，介紹其中的軟硬件知識和技術(shù)，增加學生對于所學專業(yè)的興趣和信心。

2.在專業(yè)課的理論學習環(huán)節(jié)，教師努力將真實的物理信號引入課堂，如傳感器信號、調(diào)理信號、AD/DA信號，模擬通信信號、數(shù)字通信信號、調(diào)制域信號等。真實信號的引入可以增加學生理論聯(lián)系實際的能力，提高其自主學習的興趣和動力。

3.發(fā)揮虛擬儀器作為“口袋實驗室”的作用，鼓勵學生將真實的信號帶回宿舍。宿舍是學生課余活動主要的場所，如果學生能將宿舍時間有效地利用起來進行專業(yè)實踐和創(chuàng)新，無疑將對提高學生專業(yè)能力產(chǎn)生極大的幫助。

（三）虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)新教學案例

我們將介紹幾個在教學中使用虛擬儀器進行教學創(chuàng)新的案例，來闡述使用虛擬儀器技術(shù)的特點。

1.共基極放大電路的教學。共基極電路是一類重要的基本放大電路，如何讓學生掌握電路特征并計算電路參數(shù)，如發(fā)射極電流、集電極電流、電壓增益、輸入/輸出電阻等，一直是教學中的重點。我們在教學中是采用基于虛擬儀器技術(shù)的仿真結(jié)果和真實電路結(jié)果相比較的方法。

電路仿真采用NI Multisim，該軟件主要是為工程師提供先進的電路分析和設(shè)計能力。圖1為共基極放大電路在Multisim中的仿真。

可以使用Multisim提供的萬用表測量仿真結(jié)果中的電壓和電流。并可以很方便的在軟件中修改電路參數(shù)進行重復實驗，得出不同工作狀態(tài)下電路的參數(shù)。

不同于傳統(tǒng)的電路仿真，我們在NI Elvis面包板上搭建上圖所示的電路原理圖，如圖2。利用NI Elvis自帶的數(shù)字萬用表DMM對電路參數(shù)進行測量，對于交流信號，可使用Elvis自帶的示波器對波形進行測量。

將NI Elvis的測量結(jié)果和軟件仿真結(jié)果進行比較，可以加深學生對于電路基本特征和參數(shù)的認識。同時，NI Elvis設(shè)備可以很方便的在課堂教學中進行演示，可以起到很好的教學效果。

2.無線通信系統(tǒng)教學。射頻和無線通信課程的教學長期以來都基于數(shù)學公式的推導和仿真來進行的，學生在課堂上很少能接觸到真實的通信信號，并且教學的過程中也是分模塊進行教學，學生幾乎沒有設(shè)計整條通信鏈路的機會。在教學中，我們采用NI Universal software radio peripheral（USRP）和Labview則可以很好的克服上述問題。利用USRP和Labview，學生可以很輕松的進行諸如信道編碼、信號調(diào)制、隨機碼元產(chǎn)生、信號均衡等現(xiàn)代通信技術(shù)。最終學生可以完成從發(fā)射機到接收機中間完整的通信鏈路，這在傳統(tǒng)的射頻和無線通信課程中是很難完成的。利用USRP，可以很輕易地在課堂上演示一個完整的數(shù)字通信系統(tǒng)，學生能夠看見一個數(shù)字調(diào)制域信號，能夠看見真實的850MHz GSM信號上行鏈路，可以分析真實信號的頻譜。甚至可以組建一個FM廣播信號發(fā)射和接收臺，見圖3。

二、結(jié)語

虛擬儀器技術(shù)結(jié)合統(tǒng)一的軟件平臺加上模塊化的硬件平臺，使理論學習和實踐操作能力得以有效結(jié)合，使學生能夠?qū)崿F(xiàn)自行設(shè)計實驗及實際動手操作，加深其對理論專業(yè)知識的理解，促進其對現(xiàn)場專業(yè)知識的了解，增強其對專業(yè)知識的感性認識，同時提高其實際動手操作能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

參考文獻：

[1]朱巖，余愚.虛擬儀器技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備.2008，（6）：12-14

[2]朱敏，張際平，潘侃凱.虛擬儀器技術(shù)及其教學應(yīng)用[J].中國電化教育，2006，（4）：96-98

[3]榮雅君，劉琳，高廣峰，趙朋.虛擬儀器在實驗教學中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報.2009，21（1）：78-82

[4]姜海波.虛擬儀器技術(shù)在高校教學中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備.2010（15）：53-54