基于LabVIEW虛擬仿真的《電路分析基礎(chǔ)》教學(xué)研究

張海燕 吳園燕

摘 ?要： 利用虛擬儀器技術(shù)，基于虛擬仿真軟件LabVIEW編程進(jìn)行教學(xué)演示，以“二階動(dòng)態(tài)電路的阻尼振蕩”為例，教學(xué)中通過(guò)演示不同參數(shù)下二階動(dòng)態(tài)電路的各種震蕩現(xiàn)象，有助于加深學(xué)生對(duì)電路分析理論知識(shí)的理解，還有效增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率，改善教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)新性，同時(shí)也勾起學(xué)生對(duì)后續(xù)《虛擬儀器原理及應(yīng)用》這門(mén)課的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器;LabVIEW;電路分析

中圖分類號(hào)： TP391.9 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.015

本文著錄格式：張海燕，吳園燕. 基于LabVIEW虛擬仿真的《電路分析基礎(chǔ)》教學(xué)研究[J]. 軟件，2019，40（6）：6973

【Abstract】： Using virtual instrument technology， based on the LabVIEW virtual simulation software programming for teaching demonstration， to ‘damped oscillation of second-order dynamic circuit as an example， through the demonstration in teaching the second-order dynamic circuit under different parameters of various oscillation phenomenon， help to deepen students' understanding of the theory of circuit analysis knowledge， also increased the students' interest in learning， improve teaching efficiency and the teaching effect， stimulate students' learning enthusiasm， initiative and creativity， but also arouse the learning interest in the following course ‘the principle and application of virtual instrument.

【Key words】： Virtual instrument; LabVIEW; Circuit analysis

0 ?引言

《電路分析基礎(chǔ)》是電工類專業(yè)最重要的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握電路分析的基本概念、基本理論和基本方法，并能對(duì)一般電阻電路、動(dòng)態(tài)電路和正弦穩(wěn)態(tài)交流電路進(jìn)行分析計(jì)算，為學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)各相關(guān)課程如信號(hào)與系統(tǒng)、線性電子線路等打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)通過(guò)與該課程配套的實(shí)驗(yàn)，理論與實(shí)驗(yàn)并重，可加深對(duì)理論的進(jìn)一步理解[1]。

但是，在實(shí)際教學(xué)中由于該課程內(nèi)容復(fù)雜，概念和知識(shí)點(diǎn)多，而相應(yīng)的課時(shí)安排卻非常有限，教師在授課過(guò)程中由于兼顧教學(xué)進(jìn)度不能照顧到所有學(xué)生，往往使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中難于及時(shí)掌握信息，課堂教學(xué)效果甚微，一旦有一個(gè)環(huán)節(jié)落下，最終 ? 極有可能造成學(xué)生對(duì)該課程失去學(xué)習(xí)興趣[2-3]，因此，在應(yīng)用型本科獨(dú)立院校進(jìn)行課堂教學(xué)改革勢(shì)在必行。

1 ?課堂教學(xué)手段改革：虛擬儀器仿真技術(shù)引入課堂

目前，由于各種軟硬件條件限制，電路分析課堂教學(xué)完全是填鴨模式，主要側(cè)重于理論教學(xué)，完全忽略了學(xué)生的接受能力，尤其是在應(yīng)用型本科獨(dú)立院校，學(xué)生基礎(chǔ)弱，專業(yè)功底不扎實(shí)，很能及時(shí)接受枯燥晦澀的專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容。僅憑有限課時(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，輔以布置大量的課后習(xí)題，只能培養(yǎng)應(yīng)試型教育模式，很難加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的 ?掌握和理解，舉例培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)更是相去甚遠(yuǎn)。

經(jīng)過(guò)多年對(duì)《電路分析基礎(chǔ)》和《虛擬儀器原理及應(yīng)用》的課程教學(xué)摸索后，將基于LabVIEW軟件平臺(tái)的虛擬儀器技術(shù)引入《電路分析基礎(chǔ)》教學(xué)課堂，使教學(xué)過(guò)程中理論與虛擬仿真相結(jié)合，使抽象枯燥的理論教學(xué)更加生動(dòng)形象，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，新器件、新電路不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有條件根本無(wú)法滿足教學(xué)需要[5-7]。如果結(jié)合模擬仿真軟件教學(xué)，既可以增加學(xué)生對(duì)電路的感性認(rèn)識(shí)，又可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在電路教學(xué)過(guò)程中，大部分同學(xué)并沒(méi)有接觸過(guò)仿真軟件在該課程的應(yīng)用[8]。

《電路分析基礎(chǔ)》的選擇虛擬儀器技術(shù)的原因如下[9]：其一是虛擬儀器技術(shù)作為近些年來(lái)新興的一門(mén)技術(shù)，將現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)和高性能模塊化硬件結(jié)合在一起建立了功能強(qiáng)大又靈活運(yùn)用的儀器。其二是虛擬儀器沒(méi)有常規(guī)儀器的控制面板，但是結(jié)合美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW圖形化軟件平臺(tái)[10]，采用該軟件圖形化編程語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，可以使我們通過(guò)操作鼠標(biāo)和鍵盤(pán)時(shí)就像在操作一臺(tái)真的儀器一樣。其三是使用該技術(shù)成本低，使用方便，易于攜帶。其四是將虛擬儀器作為輔助教學(xué)手段引入課堂，有助于引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂氣氛，不僅生動(dòng)形象的展示課堂內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，使學(xué)生更快地掌握課堂新知識(shí)，更能激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣[11]，教學(xué)效果明顯改善。

1.1 ?虛擬儀器技術(shù)及LabVIEW簡(jiǎn)介

美國(guó)NI公司（National Instrument）最早提出虛擬儀器（Virtual Instrument）的概念。它是利用計(jì)算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)準(zhǔn)線為平臺(tái)，以計(jì)算機(jī)的硬件資源為基礎(chǔ)，以面向用戶的計(jì)算機(jī)軟件如LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench——實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器軟件平臺(tái)）為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)完整的測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。該軟件是面向用戶的圖形化編程軟件，包含大量標(biāo)準(zhǔn)儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)、軟件模塊和工具包，它的程序即為虛擬儀器，主要包括兩部分，前面板（Front Panel）和程序框圖（Block Diagram）。前面板主要是通過(guò)添加控件和指示器完成虛擬儀器界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出，程序框圖包括節(jié)點(diǎn)、函數(shù)、結(jié)構(gòu)、SubVI等，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的程序功能[12]，它不僅具有傳統(tǒng)儀器的外觀操作界面，并具有數(shù)據(jù)分析和處理功能，使用戶在操作計(jì)算機(jī)時(shí)就像在操作一臺(tái)真正的儀器。使用虛擬儀器技術(shù)具有測(cè)量成本低、靈活性好、功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易學(xué)，教學(xué)演示效果直觀真實(shí)，仿真結(jié)果準(zhǔn)確可靠等特點(diǎn)，因此本文采用LabVIEW作為電路教學(xué)仿真軟件作為課堂輔助工具，能更好地配合課堂教學(xué)效率和教學(xué)效果[13]。

以下以“二階動(dòng)態(tài)電路的阻尼振蕩”為例介紹虛擬儀器仿真技術(shù)在《電路分析基礎(chǔ)》課堂教學(xué) ? 應(yīng)用。

1.2 ?二階動(dòng)態(tài)電路零輸入響應(yīng)介紹[14]

包含兩個(gè)動(dòng)態(tài)元件的電路稱為二階電路，這類電路可以用一個(gè)二階微分方程或者兩個(gè)聯(lián)立的一階微分方程描述。一階電路中儲(chǔ)能只有電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能，但是二階電路既存儲(chǔ)電場(chǎng)能又儲(chǔ)存磁場(chǎng)能，這樣的電路具有怎樣的特點(diǎn)？以只含一個(gè)電阻（R）一個(gè)電感（L）和一個(gè)電容（C）串聯(lián)的二階動(dòng)態(tài)電路（RLC）零輸入響應(yīng)為例，電路如圖1所示。

2.2 ?虛擬儀器技術(shù)在電路分析課程的應(yīng)用教學(xué)效果分析

以上采用LabVIEW軟件平臺(tái)，以二階RLC串聯(lián)電路為例實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)在電路分析教學(xué)中的應(yīng)用。在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)伴隨理論課程的教學(xué)中采用虛擬儀器技術(shù)在電腦操作，通過(guò)運(yùn)行程序過(guò)程中不斷改變電路參數(shù)，使學(xué)生能夠更加生動(dòng)形象而且直觀的看到不同情況下的電路響應(yīng)，明顯看出有振蕩和無(wú)振蕩以及有阻尼和無(wú)阻尼之間的差別，與僅僅是在黑板手繪圖形或者課件播放死板的圖形相比更加生動(dòng)，不但使學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容印象深刻，同時(shí)也使學(xué)生能夠在程序運(yùn)行狀態(tài)下看到調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)響應(yīng)的逐漸變化過(guò)程， 更能吸引學(xué)生對(duì)枯燥晦澀的電路分析課程濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

綜上所述，利用虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用在電路分析教學(xué)中有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

利用虛擬儀器技術(shù)，主要依靠軟件平臺(tái)，同時(shí)還可以用LabVIEW自帶的工具包或者函數(shù)庫(kù)代替硬件儀器信號(hào)源或者示波器等，在不斷提高教學(xué)效果的同時(shí)還大大降低了教學(xué)成本。

攜帶方便，在上課前只要在電腦上安裝好LabVIEW軟件，將事先備好的VI程序拷貝到電腦里就可以在教學(xué)過(guò)程中方便地演示，同時(shí)也引起學(xué)生對(duì)后續(xù)課程《虛擬儀器原理及應(yīng)用》的興趣。

通過(guò)在理論教學(xué)中引入虛擬儀器技術(shù)，生動(dòng)形象的展示理論結(jié)果，為電路分析課程相應(yīng)的實(shí)踐課程打下了基礎(chǔ)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不再盲目的動(dòng)手，而是可以在不斷思考中分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較示波器顯示結(jié)果與課堂教學(xué)結(jié)果是否一致，不會(huì)像以前的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要依靠實(shí)驗(yàn)老師去判斷數(shù)據(jù)的正確性與可靠性。

通過(guò)直觀的教學(xué)演示，清晰地展示出不同條件下二階動(dòng)態(tài)電路的響應(yīng)特點(diǎn)，使理論與實(shí)踐相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，啟發(fā)學(xué)生思維，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在有限的時(shí)間內(nèi)取得了良好的教學(xué)效果。

3 ?結(jié)論

在電路分析課程教學(xué)過(guò)程中，采用虛擬儀器技術(shù)，利用LabVIEW軟件，通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的顯示電路理論結(jié)果，不僅使學(xué)生能夠直觀的看到理論內(nèi)容演示，加深學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的理解，啟發(fā)學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣， 提高教學(xué)效率和教學(xué)效果，也為該課程相應(yīng)實(shí)驗(yàn)課程打下基礎(chǔ)，而且能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，在有限的教學(xué)課時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的理論與實(shí)踐相結(jié)合，為培養(yǎng)新時(shí)代創(chuàng)新性人才做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉俊霞， 王靜. 電路分析課程教學(xué)改革探討[J]. 教育教學(xué)論壇， 201 6（25）： 94-95.

[2] 胡建. 基于數(shù)字變頻器與SPLC控制的電梯門(mén)機(jī)信號(hào)接口電路的設(shè)計(jì)[J]. 軟件， 2018， 39（2）： 179-183.

[3] 彭光含， 劉長(zhǎng)青. 基于虛擬仿真的《電路分析》相位關(guān)系教學(xué)研究[J]. 大眾科技， 2016， 18（208）： 85-88.

[4] 宋舒， 楊武鋼， 肖梅. 將虛擬儀器技術(shù)融入《電工》課堂， 強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)效果[J]. 陜西教育高教， 2014： 1-2.

[5] 李嘯劍， 王智立. 虛擬化環(huán)境中服務(wù)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件， 2016， 37（02）： 103-106.

[6] 任元超， 吳許俊， 董奇， 等. 基于Web 的虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)[J]. 軟件， 2015， 36（7）： 26-30.

[7] 唐實(shí)， 任淑霞， 王佳欣， 等. 基于虛擬VR技術(shù)的心臟醫(yī)療輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 軟件， 2018， 39（6）： 23-25.

[8] 于海平. “電路分析”課程教學(xué)情況的調(diào)查及對(duì)策[J]. 教學(xué)實(shí)踐研究， 2016， 33： 36-39.

[9] 田武剛， 潘孟春， 陳棣湘.虛擬儀器技術(shù)在電工演示性教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)， 2012， 34（4）： 82-83.

[10] 胡武揚(yáng)， 段富海， 董科銳. 基于LabVIEW 的舵機(jī)自動(dòng)加載測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J]. 軟件， 2015， 36（5）： 24-29.

[11] 王文婷， 劉金寧， 谷志鋒， 曾春花. 電路分析課程趣味性演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2017， 36（5）： 199-203.

[12] 王磊. 精通LabVIEW8.0[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2007.

[13] 韓鋼， 郗瑩， 虛擬儀器綜述[J]. 火控雷達(dá)技術(shù)， 2000，29： 41-44.

[14] 李瀚蓀， 電路分析基礎(chǔ)（第4版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006.