虛擬仿真技術在高校電子技術實驗教學中的應用

縱榜峰

【摘 要】 電子技術實驗是培養學生實踐和創新能力的重要平臺，但傳統的實驗教學模式和教學方法在時間和內容上有很大的局限性，無法適應新的教學和學習需求。科技的發展為實驗教學提供了很多新的手段和方法，虛擬仿真技術就是其中一種重要的方法。運用計算機網絡技術和LabVIEW、Multisim等常見軟件設計電子技術虛擬仿真實驗系統，搭建虛擬仿真實驗網絡平臺，在電子實驗教學中引入虛擬仿真實驗，能有效拓展實驗教學的時間、空間和內容，是傳統實驗教學的很好補充。

【關鍵詞】 虛擬仿真技術;電子技術實驗;實驗教學

【中圖分類號】 TP39 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）01-0062-03 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

電子技術實驗是電類專業必修的一門基礎課程，是培養學生實踐和創新能力的重要平臺。從教學內容看，它分為模擬電子技術實驗和數字電子技術實驗兩大部分，主要通過傳統的實驗教學模式和教學方法進行，學生在固定的電子技術實驗箱上完成既定的實驗操作，綜合性實驗和設計性實驗相對較少，實驗教學的時間和內容都受到很大限制，開放程度不夠，阻礙了學生的探索欲望和創新能力的培養。科技的發展為實驗提供了很多新的方法，在如今的互聯網信息時代，學生的學習方式、方法也在悄然發生變化，高校電子技術實驗教學也面臨很多新的機會與挑戰，僅僅依靠傳統的課堂實驗教學模式已無法滿足教學要求和學生學習的需求。我們需要一個豐富的多元教學模式來適應新的教學需要。如何合理利用先進的計算機技術、豐富的多媒體和網絡資源構建一種全新的實驗教學模式，是高校實驗教學需要面對的新課題。而虛擬仿真實驗恰恰可以作為傳統實驗教學的一個很好補充。

一、虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術這一名詞是由美國VPL公司創建人之一杰倫·拉尼爾在上世紀80年代初提出的，通過不斷發展和完善被認為是繼數學推理和科學實驗之后，人類所掌握的第三種認識自然界客觀規律的基本方法。

虛擬仿真實驗是利用虛擬現實、多媒體、仿真及網絡等技術，與計算機編程軟件技術相結合，在真實實驗的基礎上構建一個與真實實驗環境和條件極為相似的虛擬仿真實驗環境，模擬真實實驗中的實驗環境、實驗儀器和實驗過程，學習者通過計算機等外部設備進行操作，與虛擬環境中的研究對象進行互動，產生出身臨其境的感受與體驗，從而達到一定的教學和學習目的。仿真實驗雖然是虛擬的，但使用者在仿真實驗過程中能夠從視覺、聽覺、觸覺等多種感覺方面感受到實驗的真實效果，會得到猶如真實實驗中一樣的反饋，實驗者可以根據自己的學習需要進行自主的設計、驗證實驗，還可以對實驗儀器進行任意操作而不會造成危險的后果，為學生創新能力的培養提供了一個很好的平臺。另外，由于仿真實驗是利用計算機建立起來的，因此可以直接利用計算機對實驗數據進行分析處理，直接展示實驗數據結果，還可以搭建虛擬仿真實驗網絡平臺，利用網絡實現資源共享。

二、虛擬仿真實驗的優勢

（一）實驗成本低，有利于實驗教學的時間、空間和內容的擴展

虛擬仿真實驗相比傳統實驗的最大好處就是成本低，一次性投入，后期沒有元器件及實驗儀器的損耗。尤其是電子技術實驗，學生的不當操作導致元器件和儀器損壞的情況經常發生，管理過于嚴苛又會限制同學們的操作欲望和創造能力。虛擬仿真實驗不存在這個問題，學生完全可以按照自己的想法去操作，大大增強了學生的實驗欲望和創造力。另外，傳統的實驗學生只能到實驗室才能完成，采用虛擬仿真實驗，學生可以在任何時間任何地點通過計算機和網絡登錄虛擬仿真實驗平臺或裝有虛擬仿真軟件的單機完成實驗，大大擴展了實驗教學的時間、空間和內容，對整個實驗教學起到了很好的輔助作用。

（二）有利于理論聯系實際，激發學生興趣，增強學生的實踐操作能力

目前，虛擬仿真實驗已經可以做到從感官到功能和實際很接近，能夠將整個實驗以直觀和形象的形式展示給學生，學生在虛擬仿真實驗平臺進行實驗，從心理上能得到放松，敢于嘗試自己的想法，能夠實現“虛實結合”，既加深了對理論知識的理解又鍛煉了實驗操作能力、激發了學習的興趣。尤其對于一些復雜的實驗內容，學生前期如果在虛擬仿真平臺進行了解和練習，在實際的實驗過程中就會很熟練，而不會感到完全陌生，降低了誤操作的幾率。

三、電子技術實驗中常用的虛擬仿真技術

虛擬仿真技術應用于電子技術實驗一般采用兩種技術方法，一種是虛擬儀器，一種是仿真電路。

（一）虛擬儀器和LabVIEW

虛擬儀器是美國國家儀器公司（National Instruments Corp，NI）1986年推出的將現代計算機技術、設計軟件技術和高性能模塊化硬件相結合而建立的功能強大又靈活易變的儀器概念。LabVIEW是NI公司基于計算機測量和自動化而推出的一種功能強大的圖形化編程的工程軟件，其核心思想是“軟件就是儀器”即通過軟件實現儀器的功能，是目前用來開發虛擬儀器的一種較為方便快捷的工具，它提供了豐富的邏輯量，具有直觀、形象、生動的特點。在虛擬儀器系統中，軟件成為了整個系統的關鍵，儀器的面板是利用LabVIEW編寫的，硬件僅僅是為了解決信號的輸入、輸出和調理，虛擬儀器系統的功能和規模的改變是通過修改軟件來實現的。利用虛擬的儀器面板，結合各種數據采集設備和硬件仿真平臺搭建不同的仿真系統，就可以實現和實際的儀器同樣的功能。

數字邏輯電路中的兩種邏輯狀態（1和0）正好和LabVIEW提供的邏輯量真值（True）和假值（False）相吻合，同時LabVIEW在控件選板的Boolean子選板中提供了布爾型數據和強大的邏輯運算符，而且LabVIEW程序具有生動的交互界面、良好的可擴展性、靈活的自定義功能等特點。另外，如果LabVIEW搭配數字電子設計相關的專業工具包，用戶只需從模塊庫中選擇所需的模塊組合或者自定義模塊和模塊庫，就可以實現各種數字邏輯電路設計。所以它非常適用于數字電子電路的仿真實驗。我們可以使用LabVIEW設計數字電子技術虛擬實驗系統，來實現各種數字邏輯函數表達式和數字芯片的模擬仿真。學生在虛擬仿真系統中可以高效、直觀地仿真出結果，并且還可以自行設計出新的實驗。以4選1數據選擇器為例，定義D0，D1，D2，D3為數據輸入端;A1，A0為地址端;Y為輸出端;S為使能端，低電平有效。利用LabVIEW進行虛擬仿真設計，程序框圖如圖1所示，它基于圖形化的框圖程序與數字電路邏輯圖非常相像，形象生動，便于理解和掌握，圖2是前臺操作面板圖，如果需要我們還可以運用各種圖像設計軟件把操作面板做得更逼真好看。

（二）仿真電路

在電子技術實驗中，利用各種仿真軟件的分析功能和虛擬測試功能對電路環境和電路工作過程進行仿真模擬，可以達到與真實實驗同樣的實驗目的。常用的仿真軟件有Multisim，Pspice、Proteus 等，其中Multisim軟件操作簡易，初學者非常容易上手，它以常見的windows操作系統為基礎，軟件自帶豐富的元器件庫和齊全的虛擬儀器，不僅提供了實驗中常見的示波器、萬用表的等普通儀器儀表，還提供了頻譜分析儀、虛擬網絡分析儀等復雜儀器，具有非常強大而完備的功能。在一些設計性實驗和綜合性實驗教學過程中，設計的電路是否正確合理能夠正常運行，各項指標能否達到要求，有時僅僅依靠理論計算上無法完全預知，這時我們就可以利用仿真軟件對電路進行仿真，而不用擔心設計上的錯誤所導致得儀器損壞。而且在仿真過程中還可以對設計進行改進和優化，使設計更合理，最后再進行實物電路的檢驗。

（三）搭建虛擬仿真實驗網絡平臺

如果把虛擬仿真實驗放在一個師生在任何時間和地點都可以自由訪問的平臺上，也即搭建一個虛擬仿真實驗網絡平臺，其基本組成如圖3所示。這個平臺主要由軟硬件支撐的平臺、前臺用戶系統和后臺管理三大部分組成。平臺的硬件要有內存足夠大的服務器和高速寬帶網絡接入，并配有安全軟件的防火墻。軟件主要有能夠運行各種虛擬仿真實驗的軟件環境，以及大量的數據庫。后臺管理主要是對實驗項目、內容等進行更新管理，對各類人員的權限進行管理等。學生和老師主要通過前臺界面進行訪問登錄，來實現用戶的操作和體驗功能，有了這個平臺，學生可以在實驗前進行預習，提前感受實驗過程。如果是設計實驗或綜合實驗，學生可以在線提交設計報告然后根據自己的實驗設計在虛擬仿真平臺上進行實現。查找設計中的問題。實驗后學生可以再次登錄復習鞏固或在平臺上實現一些新的想法和體會。也可以做一些我們的實驗室暫時無法滿足的實驗進行模擬仿真，尤其是目前很多高校教學資源無法完全滿足需要的情況下，構建一個網絡化的仿真實驗平臺可有效緩解這些矛盾。為教師的教學和學生的學習提供了一個交流互動的平臺，同時也為電子技術實驗教學方法帶來了新的探索。

四、結束語

虛擬仿真實驗的引入為高校電子技術實驗教學注入了的活力，可以彌補傳統實驗教學中存在的不足，同時也為學生提供了一個進一步學習的空間，激發了學生的興趣和創新欲望。但同時我們也應該意識到，虛擬仿真實驗開展的同時也會帶來一些負面的影響。如會使學生對真實的儀器和元器件的認知度降低，對真實儀器的操作能力降低，從而導致學生分析和解決實際問題的能力得不到提高。所以，仿真實驗和傳統實驗在教學中各有其優勢和不足，虛擬仿真實驗不能完全取代傳統實驗的具體操作。應該把這兩種實驗方法在教學中有機地結合起來，揚長避短。虛擬仿真實驗系統用來輔助或部分替代設計性或綜合性的實驗教學，與傳統實驗教學相輔相成。我們也可以尋求和企業合作，共同進行虛擬仿真實驗項目的開發，共建更高水平的虛擬仿真實驗、實訓基地等，進一步開發仿真實驗與實物實驗相互結合的遠程控制實驗方式。

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