虛擬實驗系統(tǒng)應用于模擬電子技術教學

梁蓓 王鑫 蔣平 余軍

摘要：教師在模擬電子技術理論教學中配合教學內(nèi)容使用虛擬實驗系統(tǒng)進行演示，可將抽象的電路設計及分析結果通過虛擬測試儀器直觀地表現(xiàn)出來，有利于提高教學效率及教學效果。學生在課后可通過網(wǎng)絡利用虛擬實驗系統(tǒng)自主安排實驗預習或進行自主創(chuàng)新設計，能有效地利用時間及空間。在教學中應用虛擬實驗系統(tǒng)，還能使學生盡早接觸并熟悉電子虛擬設計仿真工具，為今后從事電路設計工作打下一定基礎。

關鍵字：虛擬實驗系統(tǒng);電路設計虛擬仿真;模擬電子技術教學

中圖分類號：G642.423 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）19-0265-03

一、引言

貴州大學科技學院是一所獨立學院，以培養(yǎng)應用型本科人才為主，因此對學生實踐能力的培養(yǎng)成為了學校教學的重點。對理工科學生來說，實驗教學是實踐能力培養(yǎng)的一個重要環(huán)節(jié)[1]。貴州大學科技學院工學部現(xiàn)有計算機科學與技術、通信工程、電子信息工程、電子信息科學與技術、物聯(lián)網(wǎng)工程五個專業(yè)，模擬電子技術課程是這些專業(yè)均需開設的專業(yè)基礎課程。模擬電子技術課程傳統(tǒng)的教學模式為：課堂教學+實驗教學。目前在學時安排上，課堂教學為72學時，實驗教學18學時。通常實驗教學配合理論教學進度適時開展。實驗教學使用實體器材及設備。由于實體實驗在實驗用房及設備和器材等資源方面的限制，目前大多數(shù)實驗只能開設為驗證性實驗。

在課堂教學中，教師往往按照傳統(tǒng)方式上課，面對電路圖抽象地講解并分析電路構成原理以及改變元器件參數(shù)后對電路帶來的影響，學生不能直觀了解電路中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，所以對電路的理解出現(xiàn)困難，尤其對基礎較差的學生來說更是難于接受教學內(nèi)容，以至于逐漸喪失學習興趣，導致在后續(xù)相關專業(yè)課程的學習中出現(xiàn)了學習障礙。

隨著信息技術的飛速發(fā)展，高校在課堂教學中大多已使用了多媒體設備，教師若能在課堂上將教學內(nèi)容與虛擬實驗相結合，利用多媒體設備在課堂上用虛擬實驗演示部分教學內(nèi)容，一方面可使學生比較直觀理解課堂教學內(nèi)容，達到提高教學效果的目的;另一方面，學生通過教師的虛擬實驗演示，可盡早認知各種實驗元器件及實驗測試設備的使用方法，為下一步進入實體實驗室順利完成實驗打下基礎。

二、模擬電子技術虛擬實驗系統(tǒng)

傳統(tǒng)的實體實驗方式往往受實驗場地、實驗設備器材以及經(jīng)費的限制，實驗項目開設不會太多，學生在設備使用上通常是2人一組，使得動手能力的訓練力度不夠。另外，由于面向課程教學所需的實體實驗項目是根據(jù)教學內(nèi)容事先設計好的，因此實驗設備及耗材的購置往往也是按照實驗項目需求來采購，一般僅能滿足課程教學的基本需求。學生如想在實驗中進行創(chuàng)新設計，受限于實驗安全（包括設備安全和人員安全）和器材資源的限制，多數(shù)不能實現(xiàn)。

隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術以及軟件仿真技術的發(fā)展，虛擬電子實驗技術也在快速地發(fā)展起來。虛擬實驗室由虛擬實驗臺、虛擬器材庫和開放式實驗室管理系統(tǒng)組成。虛擬實驗系統(tǒng)提供了與真實實驗相似的環(huán)境，在虛擬實驗室中，儀器和元件不存在損壞，所有資源可以共享并且不受時空限制[2]。因此越來越多的高校開始使用電子技術虛擬實驗來作為對實體實驗的補充及輔助。

（一）模擬電子技術虛擬實驗系統(tǒng)

科技學院模擬電子技術虛擬實驗系統(tǒng)基于網(wǎng)絡B/S架構，是一個開放式網(wǎng)絡系統(tǒng)，學生可通過校園網(wǎng)絡登錄，在自己的計算機上實現(xiàn)實驗預習以及設計等虛擬實驗操作。該系統(tǒng)能模擬實體實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境。該系統(tǒng)目前提供了十三大類136種實驗器材模型，能基本滿足實驗需求。

例如，對圖1的分壓式自偏壓偏置電路，用虛擬模擬電子技術實驗系統(tǒng)搭建的仿真電路模型如圖2所示。虛擬實驗電路由虛擬直流穩(wěn)壓電壓提供12V工作電壓，由虛擬信號發(fā)生器產(chǎn)生輸入信號，通過虛擬示波器觀察輸出波形。虛擬雙蹤示波器不僅可以觀察輸出與輸入的相位關系、觀察輸出是否有失真，還可以計算電壓放大倍數(shù)等放大電路相應的指標。由于電路中的元器件參數(shù)值可以用虛擬器件靈活變換，因此可以通過隨時改變元器件的參數(shù)值來觀察電路的輸出。

目前虛擬電子實驗系統(tǒng)除了面向課程教學開發(fā)的系統(tǒng)外，還有多種面向工程設計的仿真系統(tǒng)，如Proteus，Altium Designer，Muhisim等，這些系統(tǒng)的應用工具以及元器件庫與面向課程教學的系統(tǒng)相比較，更加強大和豐富。教師還可以充分利用這些軟件引導學生學習和了解電子設計仿真工具的使用，為畢業(yè)后進入職場成為電子設計工程師打下一定的基礎。

（二）應用虛擬實驗系統(tǒng)提高實驗效率增強創(chuàng)新意識

引入虛擬實驗系統(tǒng)后，學生將不再受時間、空間以及設備和耗材的限制。學生可在任意時間通過校園網(wǎng)絡進入虛擬實驗教學平臺，除完成教學項目給定的實驗外，還可在虛擬實驗系統(tǒng)中自行組裝實驗電路，并通過虛擬實驗測試設備來驗證自己所設計電路的正確性。學生在虛擬實驗系統(tǒng)中一方面能有效利用自己的空余時間自主實驗;另一方面可不受實體器材和設備的限制自主搭建實驗電路，提高學生的學習積極性以及創(chuàng)新意識。例如，在電子類課外科技活動以及學科競賽中，工學部學生應用虛擬設計仿真工具設計電子電路，充分利用了虛擬設計的特點來靈活構建電路，在虛擬系統(tǒng)下其設計效果可通過虛擬測試設備實時反映出來。學生們在所設計的電路通過仿真驗證后再搭建實際運行的實體電路，并對實體電路進行實際調試，最終達到設計目的。這樣做既可以極大地提高電路的設計效率，同時也節(jié)約了器材費用。

（三）虛擬實驗是實體實驗的重要輔助

應用虛擬實驗系統(tǒng)，學生可在自己方便的任意時間了解設備以及元器件的特性，在進入實體實驗室后能盡快進入實驗操作狀態(tài)[3]。在傳統(tǒng)的實體實驗教學中，教師在設備及元器件的使用講解上需要花費大量的時間，但學生還是覺得記憶困難，實體實驗操作起來難度較大，所以在有限的實體實驗時間內(nèi)，教學效果受到了一定的影響。

在有了虛擬實驗系統(tǒng)之后，學生可以通過虛擬實驗系統(tǒng)預習實驗設備操作以及元器件特性，并在虛擬系統(tǒng)上進行預操作。這樣，在進入實體實驗室面對真實的設備及儀器時可以迅速進入實驗狀態(tài)，從而提高實驗效率。

雖然虛擬實驗系統(tǒng)具有很多實體實驗室不具備的優(yōu)勢，但虛擬實驗在設備、儀器以及使用的元器件上與實體實驗有一定的差距，所以在虛擬實驗系統(tǒng)上完成的電路設計以及電路的測試結果僅能作為參考。隨著虛擬系統(tǒng)軟件開發(fā)的進步，虛擬系統(tǒng)與實際系統(tǒng)兩者之間的誤差會越來越小，但畢竟存在著誤差，因此虛擬實驗系統(tǒng)也只能作為實體實驗的補充和輔助，不能因此而放棄實體實驗室的建設。

三、在教學中應用虛擬實驗系統(tǒng)

（一）虛擬實驗系統(tǒng)在課堂教學中的應用

借助多媒體設備，將虛擬實驗引入課堂教學中，使學生直觀理解教學內(nèi)容。例如，在“基本供射放大電路組成”的教學中，傳統(tǒng)的課堂教學方法是由教師畫出不同的波形圖與電路對應，然后解釋出現(xiàn)的現(xiàn)象，學生只能自己去領悟。對于電路中不同元件參數(shù)變化對電路的影響也只是通過理論計算后告知學生可能會出現(xiàn)的現(xiàn)象。引入虛擬實驗系統(tǒng)后，我們可以首先搭建一個僅有放大管構成的基本電路，輸入正弦信號，在輸出端利用虛擬示波器觀察輸出波形，一方面理解放大管的非線性失真概念，另一方面認識到解決失真需要對放大管添加直流電壓，從而構成放大電路的靜態(tài)偏置。在介紹放大電路的組成部分時，可以應用虛擬實驗演示集電極電阻的作用;演示基極偏置電阻大小的選擇對放大電路飽和失真的影響。學生通過由實時參數(shù)改變所顯示出來的電路輸出現(xiàn)象，很容易就能理解放大電路為什么必須有靜態(tài)偏置，以及靜態(tài)偏置的合適與否對放大電路產(chǎn)生的影響。

在模擬電子技術課程的教學中，三種不同組態(tài)的放大電路之間特點的比較、多級放大電路中零點漂移現(xiàn)象、差動放大電路工作特點、放大電路的頻率響應、濾波電路等是教學中的難點。在傳統(tǒng)的課堂教學方式中，我們感到很難讓學生理解一些問題及現(xiàn)象。將模擬電子技術虛擬實驗引入課堂教學后，學生可以通過教師搭建的虛擬實驗電路，通過虛擬測試儀器的顯示直觀了解電路出現(xiàn)的問題及現(xiàn)象。

可以說虛擬實驗的引入能很好地解決教學中因為“抽象”而不利于學習的難題，因為電路中出現(xiàn)的現(xiàn)象可以直觀地從虛擬測試儀器中觀察到。所以在教學中引入虛擬實驗系統(tǒng)可以提高學生的學習積極性，最終達到提高教學質量的目的。

（二）應用虛擬實驗系統(tǒng)提高學生動手能力

虛擬實驗系統(tǒng)的元器件提供了豐富的資源，學生可以利用這些資源自主搭建電路并通過虛擬測試設備進行電路驗證，從而評判設計是否正確。在課程進入到后期綜合性環(huán)節(jié)的教學中，教師可以利用虛擬實驗系統(tǒng)來指導學生進行設計性實驗，達到提高學生動手能力的教學目的。

例如，“直流穩(wěn)壓電源”是一個與實際應用緊密聯(lián)系的課題，是綜合性較強的教學環(huán)節(jié)。教師在講授了基本內(nèi)容之后，可以引導學生應用虛擬實驗平臺，自主設計一個直流穩(wěn)壓電源。由教師給出設計指標要求，學生課后動手設計，其設計是否達到要求，可以通過虛擬儀器進行測試。教師組織學生將自己設計的電路在課堂上進行演示，并闡述設計思路，由教師進行點評。這樣，學生利用虛擬實驗平臺不僅強化了動手能力，同時也增強了自主創(chuàng)新意識。

四、結語

虛擬設計仿真系統(tǒng)作為現(xiàn)代電子技術設計應用的一個重要手段，貫穿到幾乎所有的電子系統(tǒng)設計之中，掌握虛擬設計仿真工具的使用是電子設計工程師必備的技能之一。而模擬電子技術虛擬實驗系統(tǒng)作為電子設計虛擬仿真系統(tǒng)家族的一員，已越來越多地應用在高校教學中，成為了實體實驗的重要輔助教學手段。

充分應用模擬電子技術虛擬仿真系統(tǒng)不僅使學生能盡早接觸到電子設計虛擬仿真系統(tǒng)，還可以有效提高實驗效率、增強動手能力、激發(fā)學習興趣，最終實現(xiàn)提高教學質量的目的。

參考文獻：

[1]馬光喜，李良榮，李震.電子設計教學與課程體系研究[J].實驗室研究與探索，2014，（07）：165-168.

[2]黃春媚.虛擬實驗方式在電子技術實驗教學中的應用[J].廣西教育，2016，（11）：181-183.

[3]李麗.基礎實驗教學中的虛擬電工電子實驗平臺設計[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2016，（27）：154-155.