虛擬仿真軟件在電子類實驗教學(xué)中的應(yīng)用

高麗琴 姬五勝 段揚

摘 要：教學(xué)活動中，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)存在時空限制、設(shè)備資源短缺等問題，已不能滿足當(dāng)下實驗教學(xué)要求。隨著教育信息化的進一步深化，虛擬實驗教學(xué)發(fā)展勢頭日益強勁，成為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有力補充。文中通過實例展現(xiàn)三種仿真軟件在電子類實驗教學(xué)中的具體應(yīng)用，并針對虛擬仿真實驗教學(xué)的必要性和開展情況，提出教學(xué)資源優(yōu)化和實驗設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;電子類實驗;軟件;資源優(yōu)化;教學(xué)設(shè)計;教育信息化

中圖分類號：TP391.9;G642.0文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-0-02

0 引 言

受傳統(tǒng)條件影響，實驗教學(xué)始終存在著諸多問題，如場地不足、人員配備有限、資金和儀器設(shè)備短缺等，這些問題不利于學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。為響應(yīng)國家教育信息化發(fā)展要求，改善實驗教學(xué)條件，增強實驗教學(xué)效果，將虛擬仿真引入電子類課程實驗已成為一種趨勢[1]。

國內(nèi)外眾多虛擬實驗教學(xué)大體可分兩類[2-3]：一類是直接操作遠(yuǎn)程實驗設(shè)備的虛擬教學(xué)，通過計算機網(wǎng)絡(luò)代替部分實際活動來克服實驗設(shè)備和實踐的局限;另一類是純軟件仿真形式的虛擬教學(xué)實驗，即網(wǎng)絡(luò)化虛擬教學(xué)實驗。這種完全虛擬化的實驗操作，跳過真實的實驗設(shè)備，直接操作虛擬器件。本文圍繞虛擬仿真軟件展開，結(jié)合實例展現(xiàn)虛擬仿真在電子類實驗教學(xué)中的應(yīng)用情況。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)勢

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真實驗教學(xué)不僅能復(fù)現(xiàn)真實實驗，還能克服傳統(tǒng)實驗的制約和弊端，在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗教學(xué)。一方面，虛擬實驗教學(xué)充分考慮了新世紀(jì)人才培養(yǎng)模式的需要，有利于加強學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。另一方面，其能夠幫助院校走出實驗教學(xué)資源嚴(yán)重短缺和分布不均的困境，共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，優(yōu)化教育教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究興趣[4]。

2 虛擬仿真與電子類課程實驗的結(jié)合

虛擬仿真在電子類實驗中包括虛擬儀器和軟件仿真。虛擬儀器以“軟件即是儀器”為核心，利用計算機顯示器顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，并輸出檢測結(jié)果[5]。軟件仿真則是在軟件中完成電路搭建，借助軟件功能模擬電路環(huán)境及運行過程，替代真實實驗并獲得與其一樣的效果。常用的電子仿真軟件有Multisim，LabVIEW，HFSS及Proteus等。

虛擬仿真技術(shù)的特點是虛實結(jié)合，軟件仿真的驗證性和探究性在學(xué)生對知識點的理解、掌握、動手實踐、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等方面意義重大。下面以電子技術(shù)仿真、電磁場與微波技術(shù)、數(shù)字信號處理等相關(guān)實驗教學(xué)為例介紹虛擬軟件仿真的應(yīng)用。

2.1 555定時器的虛擬仿真

555定時器是一種多用途的中規(guī)模集成電路器件，在脈沖產(chǎn)生和變換等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其中，由其構(gòu)成的施密特觸發(fā)器具有波形轉(zhuǎn)換、整形、幅度鑒別的作用[6]。下面以此觸發(fā)器為例，利用Multisim 軟件進行模擬實驗仿真，施密特觸發(fā)器的仿真電路如圖1所示。

仿真測試時，電路的輸入信號為正弦信號，示波器XSC1檢測輸入、輸出波形，得到施密特觸發(fā)器的仿真結(jié)果，如圖2所示。

顯然，從波形上可以清楚地觀察到，施密特觸發(fā)器可用于將模擬信號波形轉(zhuǎn)換成矩形波，通過Multisim仿真，可清晰有效地驗證施密特觸發(fā)器的這一重要功能。

2.2 帶通濾波器的仿真技術(shù)實驗

微波技術(shù)中各器件的制作要求較高的精確性，制作工藝復(fù)雜，如果誤差較大，會造成不必要的浪費，因此應(yīng)用HFSS軟件對即將投入生產(chǎn)的器件提前進行仿真，得到最佳數(shù)據(jù)，使器件性能達到最優(yōu)。在實驗教學(xué)中，借助HFSS軟件，建立3D仿真模型，加深學(xué)生對微波器件的理解，增強教學(xué)效果[7]。

在三維模型窗口畫出濾波器模型，對模型進行端口、激勵、邊界條件、求解及掃頻等參數(shù)設(shè)置后，運行仿真。HFSS仿真界面如圖3所示。

S參數(shù)結(jié)果如圖4所示。在4.15 GHz處產(chǎn)生了通帶，回波損耗S11達到-30 dB，插入損耗S21在-2 dB，完全滿足濾波器的設(shè)計要求。

2.3 數(shù)字濾波器的LabVIEW仿真分析

LabVIEW是一種由圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，可使用程序流程圖便捷地創(chuàng)建出自己的虛擬儀器，可視化效果較好。

數(shù)字濾波器部分內(nèi)容抽象，涉及的數(shù)學(xué)公式較多，信號分析結(jié)果缺乏可視化的直觀表現(xiàn)[8]。學(xué)生不易將數(shù)學(xué)函數(shù)和最終波形聯(lián)系起來，也難以理解所得結(jié)果與信號處理中的實際應(yīng)用關(guān)系。數(shù)字濾波器除利用硬件電路實現(xiàn)外，還可借助計算機及軟件編程來實現(xiàn)。因此，利用LabVIEW模擬濾波器可從一定程度上解決這一難題。

利用LabVIEW設(shè)計的巴特沃斯低通數(shù)字濾波器程序框圖，通過前面板窗口，可清晰地顯示濾波前后的波形變化情況。數(shù)字濾波器程序框圖如圖5所示。左邊的示波器窗口顯示了兩個頻率分別為1 Hz和35 Hz幅值為1 V的正弦波的疊加結(jié)果，右邊的示波器窗口顯示了經(jīng)過低通濾波后的信號。能明顯看出，高頻信號的幅值被極大的縮減，顯露出1 Hz低頻信號的波形，濾波效果顯著。濾波信號如圖6所示。

3 教學(xué)資源優(yōu)化和實驗教學(xué)設(shè)計

3.1 優(yōu)化虛擬仿真教學(xué)資源

大部分實驗教學(xué)都需要軟件參與，學(xué)?？梢罁?jù)軟件市場的發(fā)展適時購買以更新軟件存量，或者與擁有專業(yè)技術(shù)和團隊的軟件設(shè)計公司合作，共同完成虛擬實驗教學(xué)資源的開發(fā);對于建設(shè)難度較小且學(xué)校具備相關(guān)技術(shù)條件時，要充分調(diào)動師生的創(chuàng)新精神和主觀能動性，鼓勵其積極參與到資源拓展中來，逐漸形成“以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主創(chuàng)”的資源創(chuàng)建模式[9]。

3.2 虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計

虛擬實驗教學(xué)可采用任務(wù)驅(qū)動法，將教師、學(xué)生、任務(wù)三者聯(lián)系在一起，遵從“以任務(wù)為主線，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體”的原則[10-11]，設(shè)計切實可行的實驗教學(xué)方案。確定實驗時，首先要參考傳統(tǒng)實驗教學(xué)，確定虛擬實驗的目的和任務(wù)，其次在綜合考慮傳統(tǒng)實驗教學(xué)步驟和虛擬實驗技術(shù)后，選擇最能體現(xiàn)本實驗?zāi)康牡姆抡孳浖?，并制定好實驗流程。最后要及時做好學(xué)習(xí)反饋，設(shè)計合理的實驗報告形式，制定實驗批改規(guī)則，通過實驗評分機制完善實驗內(nèi)容。

4 結(jié) 語

用虛擬仿真實驗輔助教學(xué)是現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展要求，分析和總結(jié)虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)理念、發(fā)展應(yīng)用和實踐方法，能夠有效推進教育教學(xué)信息化建設(shè)。將虛擬仿真引入到電子類課程的教學(xué)，設(shè)計合理有效的虛擬實驗教學(xué)更有助于驗證理論，增強學(xué)生電路設(shè)計能力，加深理論方法的深刻理解，提高產(chǎn)品設(shè)計效率，降低實驗成本，加快實驗教學(xué)改革的步伐，為實驗室的開放提供了可能。

參 考 文 獻

[1]喬非，王曉平.虛擬教學(xué)實驗設(shè)計和開發(fā)技術(shù)與應(yīng)用[M].上海：同濟大學(xué)出版社，2013.

[2]楊烈君，吳玉芹.虛擬仿真技術(shù)在電子類實驗課程項目教學(xué)中的應(yīng)用[J].寧德師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，28（4）：444-448.

[3]程思寧，耿強，姜文波，等.虛擬仿真技術(shù)在電類實驗教學(xué)中的應(yīng)用與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30（7）：94-97.

[4]馬天輝.利用虛擬仿真技術(shù)激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究興趣[J].電化教育研究，2013（4）：173-177.

[5]岳明道，郭煥銀，唐永剛.仿真軟件在電類課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].宿州學(xué)院學(xué)報，2007，22（6）：156-158.

[6]馬向國，劉同娟，陳軍.MATLAB&Multisim電工電子技術(shù)仿真應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[7]趙爽.基于HFSS的電磁場與電磁波教學(xué)虛擬實驗研究[J].科技資訊， 2014（27）：186-186.

[8]全曉莉，周南權(quán)，李雙，等.基于LabVIEW的數(shù)字信號處理虛擬實驗的構(gòu)建[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28（10）：82-84.

[9]尹立孟，朱光俊，萬新，等.虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)與管理探討[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版），2016（1）：61-63.

[10]劉亞豐，蘇莉，吳元喜，等.虛擬仿真實驗教案設(shè)計及實踐[J].實驗室研究與探索，2017，36（3）：185-188.

[11]岳峰麗，蔡玲，張昕，等.關(guān)于虛擬仿真實驗教學(xué)的一些思考[J].中國教育技術(shù)裝備，2015（22）：149-150.