電子技術的虛擬與真實實驗的互補作用

摘 要： 在電子技術教學中引入虛擬軟件Mutsm1.0進行實驗教學改革，建立虛擬實驗室，將虛擬實驗與實物實驗有機地結合，利用虛擬電子實驗臺進行電路設計，可以克服傳統實驗的不足。但虛擬實驗也有一定的局限性，虛擬實驗只能是實驗教學教學的一種輔助手段，在實驗中必須虛實結合，才能得到正確的數據和結論。

關鍵詞： Multisim 虛擬實驗 真實實驗

1.引言

Multisim應用于電路分析課堂教學，使抽象的概念變得具體，使枯燥的內容變得生動，加深了學生對理論知識的理解掌握。從課堂教學效果來看，既能活躍課堂氣氛，又能調動學生的學習積極性，激發學生的學習興趣。學生可以利用仿真軟件進行電路仿真、電路設計，利用虛擬儀器測量驗證，拓寬知識面。仿真技術引入課堂，使理論與實踐得到統一。通過Multisim虛擬仿真軟件，學生可利用電腦進行電路仿真及仿真分析，檢驗電路設計方案在功能方面的正確性和可行性，以達到熟悉電路、掌握工作原理和進行實驗創新的目的，為高效率地實驗打好基礎。應當注意的是仿真實驗教學是一種現代化的教學手段，不能代替實際操作，否則會削弱學生對真實儀器的感覺，影響實驗技能的掌握。所以，仿真實驗必須與傳統實驗教學相結合才能發揮其應有的作用。

2.電子技術課程虛擬和實際實驗教學的對比

傳統的電子技術實驗方法是：學生在實驗室根據給定的電路圖和元器件搭建實驗電路，甚至部分實驗使用了現成的電路板，用儀器測量數據得出結論。在實際實驗之前，學生要根據實驗目的設計實驗步驟，在實驗過程中則要一邊動手做實驗一邊仔細觀察實驗現象（包括借助于實驗儀器來觀察）、記錄實驗數據，并通過分析實驗現象進行推理并最終得出實驗結論。相對于真實實驗，虛擬實驗是基于虛擬現實技術實現的，在虛擬實驗系統中，實驗設備和實驗儀器虛擬化，實驗現象和實驗過程虛擬化，學生在虛擬實驗中通過操作鼠標、鍵盤及與計算機相連接的各種多媒體數據輸入設備進行點擊或拖放等動作，從而實現對虛擬設備的操作，完成對虛擬實驗的體驗。學生從虛擬實驗中得到的是一種虛擬的體驗，這是一種抽象的體驗。在電子技術實驗教學中，虛擬實驗采用MultiSim1.0軟件設計與仿真，即在計算機上設計搭建電子電路，并修改電路及其元件參數，用虛擬儀器測試電路性能并分析原因，完成電子電路的設計定型。仿真通過后，在實驗室采用硬件電路實現，并將虛擬實驗的結果與硬件實驗的結果進行對照分析，通過實際電子電路的設計過程，培養學生的綜合分析能力和開發創新能力。通過MultiSim1.0仿真，不僅可以減少實驗耗材的消耗，避免實驗設備或儀器的損壞，還可以解決實驗室高檔儀器和元器件不足的問題，具有較強的靈活性。如果學生沒有一定的知識和經驗，特別是親身體驗作為基礎，那么這種虛擬和抽象就不符合學生的認知發展規律，對學生學習經驗的獲取和意義的建構不僅不具有積極的作用，反而因過于抽象或虛擬而起阻礙作用。

3.虛擬和實際實驗的互補作用

虛擬實驗是根據教學模型建立的是理想化，虛擬實驗包括虛擬元件和虛擬儀器兩部分。在虛擬實驗中會有一些因素影響其實驗數據和結論，只有虛實結合才能正確分析實驗結論，而虛擬實驗雖能簡化實驗過程，提高實驗的效率和安全性，但不能鍛煉學生的動手能力。

（1）目前的虛擬實驗系統是實驗只能按照固定的、正確的操作流程或方法進行，否則實驗不能得到正確的結果，這個結果是機械的，是由程序本身決定的，而不是真實情況的反映。因為程序開發人員是嚴格按照實驗步驟和實驗現象進行設計和開發的，可以說一個實驗只有一個結果，實驗中，不允許學生操作錯誤或者對實驗進行一些改變，這樣不利于培養學生從操作失誤中發現問題和解決問題的能力，限制了學生的發散思維和創造性思維的發展。

（2）虛擬元件的阻抗通常是默認的，但有些值也可以設置，實際元件每個阻抗可能都不相同，如設置阻抗參數就和操作人員的實際經驗有密切的關系，經驗越豐富，設置的參數就越接近實際情況，用默認值可能就會有與實際實驗不同的數據和結論。

（3）在真實條件下做實驗也會因儀器的精度、操作的方法、量程的選擇、實現的方法有不同的結果，這本身就是不可避免的誤差產生的因素。虛擬實驗的理想化和真實實驗的具體情況本身就有一定的差異，在必然和理想條件下的實驗數據和結果存在誤差。

（4）虛擬元件中不可能存在真實實驗中的一些情況。如導線會存在的分布電容、電感、電阻，對虛擬實驗的結果會有一定的影響。

（5）虛擬實驗在一些演示性和驗證性類型的實驗中發揮了較好的作用，但是在實際操作性強的實驗中，則降低了學生的動手操作能力。比如，電子技術很多實驗中，需要實驗者根據不同的實驗條件使用不同的導線連接實驗線路。在虛擬實驗中，只要點擊相應的按鈕就可以把導線連接到儀器上，學生根本體會不出不同方法所用的導線及導線連接方法有何不同，不能鍛煉實際動手能力。

要使虛擬實驗和實際實驗的數據和結論接近，關鍵在于虛擬實驗系統在建立虛擬儀器和元件庫時，要考慮實際的環境和結論后，設置一些指標和參數，同時也要使真實實驗的條件向理想情況趨近，如保證理想的室內溫度，考慮參數的分散性等，這樣才能使虛擬實驗的數據和結果仿真到實際實驗的數據和結果。電子技術虛擬實驗，增強了實驗課的教學效果。虛擬實驗不受時間及空間的限制，學生可以自主地完成實驗，具有良好的發展前景。但虛擬實驗的實現是一項復雜的工作，還有許多理論和技術問題有待進一步探討，因此，在現有條件下，虛擬實驗是不可能完全代替實物實驗的。在實物實驗過程中，元件參數分散性、誤差、噪聲等現象是客觀存在的，對于培養學生的和創造性思維是至關重要的，也要引起足夠的重視。只有先理論后實踐，先做真實實驗后做虛擬實驗，或先做虛擬實驗后做真實實驗，才能使二者有效結合，相互依存，使電子技術實驗更完善。

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