虛擬仿真軟件在電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

高麗琴 姬五勝 段揚(yáng)

摘 要：教學(xué)活動(dòng)中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在時(shí)空限制、設(shè)備資源短缺等問題，已不能滿足當(dāng)下實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。隨著教育信息化的進(jìn)一步深化，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展勢(shì)頭日益強(qiáng)勁，成為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有力補(bǔ)充。文中通過實(shí)例展現(xiàn)三種仿真軟件在電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用，并針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性和開展情況，提出教學(xué)資源優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

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

中圖分類號(hào)：TP391.9;G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）03-0-02

0 引 言

受傳統(tǒng)條件影響，實(shí)驗(yàn)教學(xué)始終存在著諸多問題，如場(chǎng)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(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。為響應(yīng)國(guó)家教育信息化發(fā)展要求，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，將虛擬仿真引入電子類課程實(shí)驗(yàn)已成為一種趨勢(shì)[1]。

國(guó)內(nèi)外眾多虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)大體可分兩類[2-3]：一類是直接操作遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)設(shè)備的虛擬教學(xué)，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)代替部分實(shí)際活動(dòng)來克服實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)踐的局限;另一類是純軟件仿真形式的虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)，即網(wǎng)絡(luò)化虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)。這種完全虛擬化的實(shí)驗(yàn)操作，跳過真實(shí)的實(shí)驗(yàn)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(shí)例展現(xiàn)虛擬仿真在電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用情況。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能復(fù)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)，還能克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的制約和弊端，在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)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(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。另一方面，其能夠幫助院校走出實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的結(jié)合

虛擬仿真在電子類實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(cè)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(yùn)行過程，替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)是虛實(shí)結(jié)合，軟件仿真的驗(yàn)證性和探究性在學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解、掌握、動(dòng)手實(shí)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(chǎng)與微波技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理等相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例介紹虛擬軟件仿真的應(yīng)用。

2.1 555定時(shí)器的虛擬仿真

555定時(shí)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(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)仿真，施密特觸發(fā)器的仿真電路如圖1所示。

仿真測(cè)試時(shí)，電路的輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，示波器XSC1檢測(cè)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(hào)波形轉(zhuǎn)換成矩形波，通過Multisim仿真，可清晰有效地驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

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(huì)造成不必要的浪費(fèi)，因此應(yīng)用HFSS軟件對(duì)即將投入生產(chǎn)的器件提前進(jìn)行仿真，得到最佳數(shù)據(jù)，使器件性能達(dá)到最優(yōu)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，借助HFSS軟件，建立3D仿真模型，加深學(xué)生對(duì)微波器件的理解，增強(qiáng)教學(xué)效果[7]。

在三維模型窗口畫出濾波器模型，對(duì)模型進(jìn)行端口、激勵(lì)、邊界條件、求解及掃頻等參數(shù)設(shè)置后，運(yùn)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(dá)到-30 dB，插入損耗S21在-2 dB，完全滿足濾波器的設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)處理中的實(shí)際應(yīng)用關(guān)系。數(shù)字濾波器除利用硬件電路實(shí)現(xiàn)外，還可借助計(jì)算機(jī)及軟件編程來實(shí)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(jì)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(gè)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(hào)。能明顯看出，高頻信號(hào)的幅值被極大的縮減，顯露出1 Hz低頻信號(hào)的波形，濾波效果顯著。濾波信號(hào)如圖6所示。

3 教學(xué)資源優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化虛擬仿真教學(xué)資源

大部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)都需要軟件參與，學(xué)校可依據(jù)軟件市場(chǎng)的發(fā)展適時(shí)購(gòu)買以更新軟件存量，或者與擁有專業(yè)技術(shù)和團(tuán)隊(duì)的軟件設(shè)計(jì)公司合作，共同完成虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā);對(duì)于建設(shè)難度較小且學(xué)校具備相關(guān)技術(shù)條件時(shí)，要充分調(diào)動(dòng)師生的創(chuàng)新精神和主觀能動(dòng)性，鼓勵(lì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)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(jì)切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。確定實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先要參考傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，確定虛擬實(shí)驗(yàn)的目的和任務(wù)，其次在綜合考慮傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)步驟和虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)后，選擇最能體現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡姆抡孳浖⒅贫ê脤?shí)驗(yàn)流程。最后要及時(shí)做好學(xué)習(xí)反饋，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式，制定實(shí)驗(yàn)批改規(guī)則，通過實(shí)驗(yàn)評(píng)分機(jī)制完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

4 結(jié) 語

用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)理念、發(fā)展應(yīng)用和實(shí)踐方法，能夠有效推進(jìn)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(jì)合理有效的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)更有助于驗(yàn)證理論，增強(qiáng)學(xué)生電路設(shè)計(jì)能力，加深理論方法的深刻理解，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，降低實(shí)驗(yàn)成本，加快實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的步伐，為實(shí)驗(yàn)室的開放提供了可能。

參 考 文 獻(xiàn)

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