基于虛擬仿真技術的高頻課程教學改革實踐

【摘要】研究了高頻電子技術課程特點，為有效提高學生學習興趣，掌握高頻課程內容，提出了高頻課程教學改革思路，并在教學過程中引入虛擬仿真技術，通過虛擬仿真實驗加深學生對高頻理論知識的理解。此外教學過程中使用multisim仿真與實物裝配調試相結合，實現高頻理論知識與實踐的有效結合，提高學生學習興趣與對內容的掌握和理解能力。

【關鍵詞】高頻 虛擬仿真 教學改革

【基金項目】該篇論文是基于徐州工業職業技術學院院級課題《高頻電子技術課程項目化教學改革研究與探索》課題編號：XGY201015。

【中圖分類號】G71【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）01-0043-02

1.引言

高頻電子技術課程是電子信息類與通信類專業的一門重要的專業基礎核心課程，在整個學科體系中具有承上啟下的重要作用，在專業基礎知識體系中有著不可替代的重要地位。該課程的特點是專業性、綜合性強，涵蓋了高等數學、信號與系統、電路分析、數字電子與模擬電子等知識的應用，對學生基礎知識結構要求高。通過本課程的學習，學生不僅可掌握高頻電子線路的基本理論、基本概念和基本分析方法，而且可運用課程知識去分析、解決實際的工程技術問題。但在課程實際教學過程中，學生普遍反應該課程抽象、難懂，難以掌握，存在排斥情緒。此外該課程實驗復雜，且由于高頻電路的特點，在實驗過程中，輸出波形與數據易受干擾致使波形失真，實驗數據與理論數據出入較大，實驗教學效果也不理想。基于上述情況，為提高教學效果，在高頻電子技術課程的教學過程中可積極引入虛擬仿真技術。通過仿真，可以讓抽象的理論通過仿真得到驗證，學生易于接受。同時利用仿真軟件還可以進行一些實際操作受外界干擾大的且不容易調試的實驗，如混頻，調幅與解調等等，既解決了實際高頻實驗中存在的實驗復雜，實驗效果不理想等問題，同時也節省了實驗耗材的經費投入。

2.軟件介紹

目前電路仿真軟件有很多，每種仿真軟件都帶有了出版公司自己的特點。根據軟件的應用領域和模型以及推廣程度，電路仿真軟件大致有以下幾種：

（1）PSPICE[1]： SPICE是由美國加州大學伯克利（Berkeley）分校電工和計算機科學系分校開發，1972年首次推出。PSPICE是由SPICE發展而來的用于微機系列的通用電路分析程序。目前微機上廣泛使用的PSPICE是由美國Microsim公司開發，并于1984年首次推出。能進行模擬電路分析、數字電路分析和模擬數字混合電路分析，該軟件現已成為微機級電路模擬標準軟件。

（2）Multisim[2]：該仿真軟件的前身是EWB（Electronics Workb

？鄄ench）， 是加拿大IIT公司在20世紀80年代后期推出的用于電子電路設計與仿真的EDA軟件，一經推出就受到各界好評，尤其在教育領域取得了巨大成功。與其他電子電路設汁軟件相比具有界面直觀、操作方便等優點。創建電路、選用元器件和測試儀器等均可直接從屏幕上元件庫和儀器庫中直接選取。電子電路的分析、設計與仿真工作都可通過點擊鼠標實現，不僅為電子電路設計者帶來了無盡的樂趣，而且大大提高了電路設計工作的質量和效率。

（3）Saber：和PSpice和multisim類似的軟件，可以用于系統仿真和電源仿真，在電源仿真方面很有優勢，比如大電流，該軟件主要用于理論仿真和驗證。

（4）ADS：安捷倫公司的頂級理論驗證軟件，主要用于高頻仿真，功能強大，可以用于pcb的驗證設計，IC驗證設計，系統驗證設計（CDMA，DVBT等），是理論仿真的頂級軟件，但是讓學生在短時間內熟練應用很不容易。

以上介紹的軟件都可以應用在高頻電路仿真中，但是通過比較，Multisim軟件更適合在教學過程中使用，該軟件支持直觀的示波器圖形，帶有3D元件庫，器件參數修改簡單，最重要的是該軟件的使用易于掌握，所以在高頻課程教學改革實踐中采用了multisim軟件作為仿真軟件。

3.基于虛擬仿真技術的高頻電子技術課程教學改革思路

近年來，隨著我國高等職業教育改革的不斷深入，以“能力本位”為出發點，進行項目化教學改革，是目前高職教學改革的方向之一。高頻電子技術課程要進行項目化教學改革必須根據課程特點，找到能夠提高學生學習興趣且與實際生活相關的教學項目，并把課程中所有必需的知識按照知識結構分解到教學項目中去，因此我們把該課程的學習內容按照知識結構分解為兩大項目的學習，每個項目學習中又含有若干個教學任務，學生在不斷完成任務的過程中掌握知識并增長實踐技能，最終完成項目，所以該課程實行理實一體化教學[3]。

課程項目的選取根據高頻課程的特點，采用了兩個生活中常見的并能典型代表高頻知識結構的兩個電子產品收音機和無線話筒來承載本課程的所有知識點。為了涵蓋所有的知識點并滿足課時要求，所以教學項目中兩個電子產品所采用的調制方式與作用也不一樣。AM收音機主要涵蓋信號的接收與AM調制的所有知識。無線調頻話筒主要涵蓋信號的發射與FM/PM調制的所有知識。

4.虛擬仿真技術在高頻課程教學改革中的應用

課程主要采用以實際項目為載體的任務驅動型教學方法，把原本相對獨立的一些課程內容，設計成兩個大的項目，按照知識相關性把學生的理論知識學習與技能訓練在這兩個項目中進行細化，分解成獨立任務。每個任務的完成步驟如下：

所以該課程必須要在理實一體化教室完成。任何一子項目或任務的完成都必須先經過虛擬仿真驗證才能進行實物的裝配與調試。

下面以調幅電路與檢波電路為例，這兩種實際電路原理較復雜，而且電路中器件參數變化都會對電路波形輸出有影響，該電路在理論分析時較抽象，學生接受起來比較困難，教學效果較差。引入仿真后，可在講解調幅與檢波電路時，根據理論知識，進行電路的仿真驗證。如圖1所示，分析調幅電路的工作原理，并用仿真軟件仿真出輸出波形，如圖2所示，這樣結果直觀，避免了只有單純的公式推導結果，學生理解與接受起來也比較容易，同時也提高了學生的學習興趣[4]。

在圖1中，改變直流電壓U1參數為6V和0V，就可以觀察到過調幅現象如圖3所示和雙邊帶調幅現象如圖4所示，可讓學生根據理論知識分析其產生的原因，進一步提高學生學習理論知識的興趣。

根據檢波電路的工作原理，可在multisim軟件中搭建二極管包絡檢波電路，在軟件中可以很方便的找到調幅信號源，同時還可根據電路的需要，改變調幅系數，觀察調幅系數對檢波電路的影響。在二極管包絡檢波中，根據理論與公式推導得到的二極管包絡檢波的特有失真現象：惰性失真與負峰切割失真都可以通過改變相應器件的參數，很直觀地在仿真電路中模擬，增強了學生對理論知識的理解。同時，利用multisim軟件很簡單的就可以驗證同步檢波電路的波形輸出，解決了實際電路實驗中，同步信號難以與被解調信號同頻同相的難題，使復雜的理論與實驗簡單化，方便了教學，深化了學生的理解。

5.總結

multisim軟件在高頻教學中的使用，對于老師和學生來說，為我們提供了一個很好的實用工具，使我們能夠在高頻電子技術課程的教學過程中隨時通過仿真進行實驗，演示電路的工作狀態與輸出波形，教師可在多媒體教師中深入淺出地分析各種電路的特性，以及參數變化帶給電路的影響，用最直觀的輸出波形進行講解，更有說服力。學生結合學習內容在課外進行接近實際電路的裝配、調試、分析，有利于加深對理論知識的理解。總之，通過基于虛擬仿真技術的高頻電子課程改革實踐，大大提高了學生的學習興趣與學習效果，虛擬仿真軟件的應用值得大力推廣[5]。

參考文獻：

[1]吳建強. PSPICE仿真實踐[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2001.4

[2]張明金，夏淑麗. 電子技術技能實驗實訓指導[M].北京：化學工業出版社，2007.9

[3]于效宇，劉艷.“高頻電子線路”教學方法的研究與改進[J].中國電力教育，2010（30）：67-68

[4]熊偉，侯傳教等. Multisim7電路設計與仿真應用[M]. 北京：清華大學出版社，2005.7

[5]王靖. Proteus仿真在模擬電子技術課程中的應用[J]. 電腦知識與技術 2009.7（05）：33-34

作者簡介：

尹慧（1977年-），女（漢），江蘇徐州人，碩士，講師。從事電工與電子技術方面的教學研究。