立體虛擬技術在高頻電子線路課程中的應用探索

郭交++秦立峰

【摘要】高頻電子線路課程是電子信息類與通信類專業本科生的一門專業核心課程，在整個學科體系中具有承上啟下的重要作用。通過本課程的學習，學生不僅可以掌握高頻電子線路的基本理論、基本概念及基本分析方法，而且能夠運用課程所學相關知識去分析、設計、解決實際的工程技術問題。高頻電子線路課程的特點是內容多、專業性、綜合性較強，涵蓋了高等數學、信號與系統、電路分析、模擬電子線路等知識，對學生的基礎知識要求較高。在該課程的實際教學過程中，學生普遍反映該課程理論抽象、電路分析復雜、掌握困難，因此，要想達到良好的教學效果，對該門課程進行教學改革是迫切而有意義的。

【關鍵詞】虛擬技術 高頻電子線路 課程探索

【中圖分類號】G642.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）24-0198-02

目前高頻電子線路課程的教學主要包括兩個組成部分，一是理論教學部分，即以傳統的“灌輸式”講授為主，主要在課堂上完成；二是實踐教學部分，在實驗室利用現有的實驗箱進行，基本上都是驗證性實驗，按部就班。教學過程中目前存在的問題主要集中在以下幾個方面：（1）理論教學中，有些基本單元電路在分析中理論較為枯燥，學生易產生抵觸情緒，學習積極性不高，導致基礎理論知識掌握不夠深入；（2）實踐教學中，由于高頻電子線路自身的特點，在實驗過程中，輸出波形與數據較容易受外界干擾，致使波形失真，實驗數據與理論分析出入較大，實驗效果也不理想，學生缺乏對實驗結果的有效分析。究其原因，與現有的傳統教學模式有很大關系，主要是理論教學中缺乏理論分析與直觀試驗的有機結合，理論與實踐脫節現象較為嚴重，導致學生基本知識掌握不足、技能水平低下、實踐能力缺乏。

針對上述存在的情況，為提高教學效果，在高頻電子線路課程的教學過程中，可以有針對性地引入立體虛擬仿真技術。在教學過程中，通過引入從信號級到電路級的多層次仿真實驗，使抽象的理論以直觀的仿真形式得到充分展示和驗證，提高學生學習的積極性，而且利用仿真還可以進行一些實際操作受外界干擾大且不易調試的實驗，如混頻，調幅與解調等等，可以解決實際高頻實驗中存在的實驗效果不理想等問題。

一、傳統教學中存在的問題

理論教學中，有些基本單元電路在分析中理論較為枯燥，學生易產生抵觸情緒，學習積極性不高，導致基礎理論知識掌握不夠深入；實踐教學中，由于高頻電子線路自身的特點，在實驗過程中，輸出波形與數據較容易受干擾，致使波形失真，實驗數據與理論分析出入較大，實驗效果也不理想，學生缺乏對實驗結果的有效分析。

二、 立體虛擬技術在高頻電子線路教學中的應用

高頻電子線路課程包含許多單元電路，課程內容的組織形式也是按照各單元電路的功能實現，在單元電路的授課過程中，要涉及到基本單元電路的信號分析和具體的電路結構形式，將信號級和電路級虛擬仿真技術分別引入到單元電路的信號分析和具體電路的實現形式中，結合可視化的演示，將有助于學生深入理解、掌握相關內容。

1.單元電路的信號分析—信號級虛擬仿真

單元電路講授的第一步是要進行單元電路的信號分析，包括調制信號、載波信號和已調波信號的時域和頻域分析，從信號的理論分析出發，介紹單元電路的基本功能和輸入輸出具體的信號形式。在講授過程中，通過引入信號級的虛擬仿真實驗，能大大提高學生的學習興趣，加強對基礎理論的掌握。例如，在講解AM、DSB調制與解調一節時，可以利用matlab編程輸入調制信號、載波信號和已調波信號，并利用matlab GUI進行界面設計，這樣可以直接利用matlab的畫圖功能直觀地顯示各種信號的時域和頻域形式，使學生更加深入理解和掌握單元電路的輸入輸出信號形式以及與各輸入參數之間的關系。

2.單元電路的組成結構—電路級虛擬仿真

單元電路講授的第二步是具體的電路結構形式，在電路結構的講解過程中，需要首先介紹電路的基本組成原理，但是在理論講授時缺乏電路的實際工作過程介紹，而引入基本的電路級仿真，不僅能直觀上觀測電路的組成和各關鍵點的信號形式，而且可以很方便地調節電路參數，直觀地觀察到輸出信號與電路的具體參數之間的直接關系，是理論分析教學的一個很好補充和驗證方式，同時也能加強學生對具體電路的理解和掌握。例如在高頻功率放大器實際電路的講解中，可以利用Multisim設計相應的實際電路圖，如圖2所示，通過設置相應的觀察點可以直接查看集電極電流形式，通過設置示波器可以直接觀察輸入信號和輸出信號的具體形式，如圖3所示。

三、結束語

經過近幾年對高頻電子線路課程的實踐教學，逐漸發現了目前教學中存在的一些問題，并試圖通過引入立體虛擬技術以豐富傳統的教學方法，經過上述改進后的授課模式得到了學生的普遍認可和廣泛好評，學生的學習興趣顯著增加，對理論基礎知識的掌握更加牢固，分析問題和解決問題的能力也有了大幅度提升，通過這種系統地教學改革，形成立體仿真實驗—理論教學—實際實驗相結合的立體化教學方法，可獲得良好的教學效果，提高教學質量。

本文受西北農林科技大學教學改革研究項目資助（編號：JY1504043）

作者簡介：郭交，男，博士，西北農林科技大學機械與電子工程學院副教授。研究方向：高頻電子線路、信息與信號處理、智能計算等領域的研究與教學；秦立峰，男，博士，西北農林科技大學機械與電子工程學院講師。研究方向：信息處理與模式識別方面的教學與科研。